سجلت الأيونات المتشابكة رقما قياسيا في المسافات الطويلة - عالم الفيزياء

يعد استخدام الضوء والألياف الضوئية لإرسال المعلومات من النقطة أ إلى النقطة ب ممارسة معتادة اليوم ، ولكن ماذا لو تمكنا من تخطي خطوات "الإرسال والحمل" تمامًا وقراءة المعلومات على الفور؟ بفضل التشابك الكمومي ، لم تعد هذه الفكرة عملاً خياليًا ، بل أصبحت موضوعًا للبحث المستمر. من خلال تشابك جسيمين كميين مثل الأيونات ، يمكن للعلماء وضعهما في حالة مشتركة هشة حيث يعطي قياس أحد الجسيمات معلومات عن الآخر بطرق قد يكون ذلك مستحيلًا من الناحية الكلاسيكية.

أجرى باحثون من جامعة إنسبروك بالنمسا الآن عملية التشابك الصعبة هذه على أيوني كالسيوم محاصرين في تجاويف بصرية بمسافة 230 مترًا - أي ما يعادل حوالي ملعبين لكرة القدم - ومتصلين عبر ألياف بصرية بطول 520 مترًا. هذا الفصل هو سجل للأيونات المحاصرة ويضع علامة فارقة في أنظمة الاتصال والحساب الكمومية القائمة على هذه الجسيمات الكمومية.

نحو شبكة كمومية

الشبكات الكمومية هي العمود الفقري لأنظمة الاتصالات الكمومية. من بين عوامل الجذب لديهم أنه يمكنهم ربط العالم بقوة حوسبة غير مسبوقة وأمان مع تعزيز الاستشعار الدقيق وقياس الوقت للتطبيقات التي تتراوح من علم القياس إلى الملاحة. تتكون مثل هذه الشبكات الكمومية من أجهزة كمبيوتر كمومية - العقد - متصلة من خلال تبادل الفوتونات. يمكن إجراء هذا التبادل في الفضاء الحر ، بشكل مشابه لكيفية انتقال الضوء عبر الفضاء من الشمس إلى أعيننا. بدلاً من ذلك ، يمكن إرسال الفوتونات عبر ألياف ضوئية مماثلة لتلك المستخدمة في نقل البيانات لخدمات الإنترنت والتلفزيون والهاتف.

تقدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية القائمة على الأيونات المحاصرة منصة واعدة للشبكات الكمية والتواصل الكمي لسببين. أحدها أن حالاتها الكمومية يسهل التحكم فيها نسبيًا. والآخر هو أن هذه الحالات قوية ضد الاضطرابات الخارجية التي يمكن أن تعطل المعلومات المنقولة بين العقد وفيها.

أيونات الكالسيوم المحاصرة

في آخر عمل بحثي بقيادة تريسي نورثوب و بن لانيون في إنسبروك ، حوصرت أيونات الكالسيوم في مصائد بول - تكوين مجال كهربائي ينتج قوة على الأيون ، مما يحصره في مركز المصيدة. تعتبر أيونات الكالسيوم جذابة لأنها تتمتع بهيكل إلكتروني بسيط وقوي ضد الضوضاء. "إنها متوافقة مع التكنولوجيا اللازمة للشبكات الكمية ؛ كما أنها محاصرة بسهولة وتبريدها ، وبالتالي فهي مناسبة للشبكات الكمية القابلة للتطوير " ماريا جالي، طالب دكتوراه في إنسبروك كان مشاركًا في العمل ، والذي تم وصفه في استعراض للحروف البدنية.

بدأ الباحثون بوضع أيون واحد محاصر داخل كل تجويفين بصريين منفصلين. هذه التجاويف هي مسافات بين أزواج من المرايا تسمح بالتحكم الدقيق وضبط تردد الضوء الذي يرتد بينهما (انظر الصورة أعلاه). هذا التحكم الصارم ضروري لربط أو تشابك معلومات الأيون بمعلومات الفوتون.

بعد تشابك نظام الفوتون الأيوني في كل من التجويفين - عُقد الشبكة - أجرى الباحثون قياسًا لوصف النظام المتشابك. بينما يدمر القياس التشابك ، كان على الباحثين تكرار هذه العملية عدة مرات لتحسين هذه الخطوة. ثم تنتقل الفوتونات ، المتشابكة مع أحد أيونات الكالسيوم ، عبر الألياف الضوئية التي تربط العقدتين ، والموجودين في مبنيين منفصلين.

تبادل المعلومات

في حين كان بإمكان الباحثين نقل الفوتونات في الفضاء الحر ، فإن القيام بذلك كان سيخاطر بتعطيل تشابك الفوتون الأيوني بسبب العديد من مصادر الضوضاء. على النقيض من ذلك ، فإن الألياف الضوئية منخفضة الفاقد ، كما أنها تحمي الفوتونات وتحافظ على استقطابها ، مما يسمح بفصل أطول بين العقد. ومع ذلك ، فهي ليست مثالية. "لقد لاحظنا بعض الانجرافات في الاستقطاب. لهذا السبب ، سنقوم كل 20 دقيقة بتمييز دوران الاستقطاب للألياف وتصحيحه ". يقول جالي.

يتبادل الفوتونان معلومات أنظمة الفوتونات الأيونية الخاصة بهما من خلال عملية تُعرف باسم قياس حالة بيل الفوتون (PBSM). في تقنية الكشف الانتقائي للحالة هذه ، تتداخل الوظائف الموجية للفوتونات ، مما يؤدي إلى إنشاء نمط تداخل يمكن قياسه بأربعة أجهزة كشف ضوئية.

من خلال قراءة الإشارات المقاسة على أجهزة الكشف الضوئي ، يمكن للباحثين معرفة ما إذا كانت المعلومات التي تحملها الفوتونات - حالة الاستقطاب - متطابقة أم لا. إن مطابقة أزواج النتائج (إما حالات الاستقطاب الأفقي أو الرأسي) تبشر بتوليد التشابك بين الأيونات البعيدة.

المقايضات من أجل التشابك الناجح

كان على الباحثين موازنة عدة عوامل لتوليد التشابك بين الأيونات. الأول هو النافذة الزمنية التي يجرون فيها القياس النهائي للفوتونات. وكلما طالت نافذة الوقت هذه ، زادت فرصة اكتشاف الباحثين للفوتونات - لكن المفاضلة هي أن الأيونات أقل تشابكًا. هذا لأنهم يهدفون إلى التقاط الفوتونات التي تصل في نفس الوقت ، والسماح بمدة زمنية أطول قد يؤدي بهم إلى اكتشاف الفوتونات التي وصلت بالفعل في أوقات مختلفة.

ظهرت الشبكة الكمومية ثلاثية العقد لأول مرة

لذلك احتاج الباحثون إلى التحقق بعناية من مقدار التشابك الذي تمكنوا من تحقيقه في إطار زمني معين. خلال نافذة زمنية تبلغ 1 ميكرو ثانية ، كرروا التجربة أكثر من 13 مليون مرة ، مما أدى إلى 555 حدث كشف. ثم قاموا بقياس حالة الأيونات في كل عقدة بشكل مستقل للتحقق من الارتباط ، والذي كان 88٪. يقول جالي: "تتمثل خطوة القياس النهائية لدينا في الواقع في قياس حالة كلا الأيونات للتحقق من وجود ارتباط الحالة المتوقع". "هذا يؤكد أننا نجحنا في خلق تشابك بين الأيونات."

من العدو السريع إلى الماراثون

قد يبدو ملعبان لكرة القدم وكأنهما مسافة كبيرة يمكن من خلالها إنشاء حالة متشابكة كمومية غير مستقرة ، لكن فريق إنسبروك لديه خطط أكبر. من خلال إجراء تغييرات مثل زيادة الطول الموجي للفوتونات المستخدمة لنقل المعلومات بين الأيونات ، يأمل الباحثون في تغطية مسافة أكبر بكثير تبلغ 50 كم - أطول من سباق الماراثون.

في حين أن مجموعات البحث الأخرى قد أثبتت سابقًا التشابك على مسافات أطول باستخدام ذرات محايدة ، فإن المنصات القائمة على الأيونات لها مزايا معينة. يلاحظ جالي أن دقة البوابات الكمومية التي يتم إجراؤها باستخدام الأيونات المحاصرة أفضل من تلك الموجودة في البوابات الكمومية التي يتم إجراؤها على الذرات ، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن التفاعلات بين الأيونات أقوى وأكثر استقرارًا من التفاعلات بين الذرات ووقت تماسك الأيونات أطول بكثير.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• أفلاطونايستريم. ذكاء بيانات Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• سك المستقبل مع أدرين أشلي. الوصول هنا.
• شراء وبيع الأسهم في شركات ما قبل الاكتتاب مع PREIPO®. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/entangled-ions-set-long-distance-record/