خطوة مهمة للإنترنت الكمي: تجربة جديدة “تترجم” المعلومات الكمية بين التقنيات
اكتشف العلماء طريقة لتحويل المعلومات الكمومية بين تقنيات الكم المختلفة، والتي تحمل دلالات مهمة للحوسبة الكمومية، والتواصل، والشبكات.
الدراسة، التي نُشرت في مجلة Nature ، حظيت بدعم مالي من مكتب أبحاث الجيش (ARO)، ومكتب القوات الجوية للبحوث العلمية (AFOSR)، ومعهد NSF Quantum Leap Challenge for Hybrid Quantum Architectures and Networks (HQAN). ، بقيادة جامعة إلينوي أوربانا شامبين. يمثل هذا نهجًا مبتكرًا لتحويل المعلومات الكمية من التنسيق الذي تستخدمه أجهزة الكمبيوتر الكمومية إلى التنسيق المطلوب للاتصال الكمي.
الفوتونات – جسيمات الضوء – ضرورية لتقنيات المعلومات الكمومية، لكن التقنيات المختلفة تستخدمها عند ترددات مختلفة. على سبيل المثال، تعتمد بعض أكثر تقنيات الحوسبة الكمومية شيوعًا على كيوبتات فائقة التوصيل، مثل تلك المستخدمة من قبل عمالقة التكنولوجيا جوجل وآي بي إم؛ تقوم هذه الكيوبتات بتخزين المعلومات الكمومية في فوتونات تتحرك عند ترددات الميكروويف.
ولكن إذا كنت ترغب في بناء شبكة كمومية، أو توصيل أجهزة كمبيوتر كمومية، فلا يمكنك إرسال فوتونات الميكروويف حولها لأن قبضتها على معلوماتها الكمومية أضعف من أن تنجو من الرحلة.
قالت آيشواريا كومار، باحثة ما بعد الدكتوراة في معهد جيمس فرانك بجامعة شيكاغو والمؤلف الرئيسي على الورق. لكن لا يمكنك فعل ذلك من أجل الاتصال الكمي لأن المعلومات الكمية التي تحتاجها موجودة في فوتون واحد. وعند ترددات الميكروويف، سوف تُدفن هذه المعلومات في الضوضاء الحرارية “.
رسم تخطيطي لمستويات طاقة الإلكترون في الروبيديوم. يتطابق اثنان من فجوات مستوى الطاقة مع ترددات الفوتونات الضوئية وفوتونات الميكروويف، على التوالي. يتم استخدام الليزر لإجبار الإلكترون على القفز إلى مستويات أعلى أو الهبوط إلى مستويات أقل. الائتمان: ايشواريا كومار
الحل هو نقل المعلومات الكمومية إلى فوتون عالي التردد، يسمى الفوتون البصري، والذي يكون أكثر مرونة ضد الضوضاء المحيطة. لكن المعلومات لا يمكن نقلها مباشرة من الفوتون إلى الفوتون. بدلاً من ذلك، نحتاج إلى أمر وسيط. تصمم بعض التجارب أجهزة الحالة الصلبة لهذا الغرض، لكن تجربة كومار تهدف إلى شيء أكثر جوهرية: الذرات.
يُسمح للإلكترونات الموجودة في الذرات فقط بالحصول على كميات معينة من الطاقة تسمى مستويات الطاقة. إذا كان الإلكترون يجلس عند مستوى طاقة أقل، فيمكن أن يتحمس إلى مستوى طاقة أعلى عن طريق ضربه بفوتون تتطابق طاقته تمامًا مع الفرق بين المستوى الأعلى والأدنى. وبالمثل، عندما يُجبر الإلكترون على الانخفاض إلى مستوى طاقة أقل، فإن الذرة تبعث فوتونًا بطاقة تتناسب مع فرق الطاقة بين المستويات.
تصادف أن ذرات الروبيديوم بها فجوتين في مستوياتها تستغلهما تقنية كومار: واحدة تساوي تمامًا طاقة فوتون الميكروويف، والثانية تساوي تمامًا طاقة الفوتون البصري. باستخدام الليزر لتحويل طاقات إلكترون الذرة لأعلى ولأسفل، تسمح هذه التقنية للذرة بامتصاص فوتون بالموجات الدقيقة بمعلومات كمومية ومن ثم إصدار فوتون ضوئي بهذه المعلومات الكمومية. هذه الترجمة بين الأنماط المختلفة للمعلومات الكمومية تسمى “التحويل”.
أصبح الاستخدام الفعال للذرات لهذا الغرض ممكنًا بفضل التقدم الكبير الذي أحرزه العلماء في معالجة مثل هذه الأجسام الصغيرة. قال كومار: “لقد قمنا كمجتمع ببناء تقنية رائعة في العشرين أو الثلاثين عامًا الماضية والتي تتيح لنا التحكم بشكل أساسي في كل شيء يتعلق بالذرات”. “لذا فإن التجربة محكومة وفعالة للغاية.”
ويقول إن السر الآخر لنجاحهم هو تقدم المجال في الديناميكا الكهربية الكمومية للتجويف، حيث يكون الفوتون محاصرًا في حجرة عاكسة فائقة التوصيل. بإجبار الفوتون على الارتداد في مكان مغلق، يقوي التجويف الفائق التوصيل التفاعل بين الفوتون وأي مادة موضوعة بداخله.
لا تبدو غرفتهم مغلقة تمامًا – في الواقع، إنها تشبه إلى حد كبير كتلة من الجبن السويسري. ولكن ما يشبه الثقوب هي في الواقع أنفاق تتقاطع في هندسة محددة جدًا، بحيث يمكن حبس الفوتونات أو الذرات عند التقاطع. إنه تصميم ذكي يسمح أيضًا للباحثين بالوصول إلى الحجرة حتى يتمكنوا من حقن الذرات والفوتونات.
تعمل التقنية في كلا الاتجاهين: يمكنها نقل المعلومات الكمومية من فوتونات الميكروويف إلى الفوتونات الضوئية، والعكس صحيح. لذلك يمكن أن يكون على جانبي اتصال طويل المسافة بين جهازي كمبيوتر كمومي فائق التوصيل، ويكون بمثابة لبنة أساسية للإنترنت الكمي.
لكن كومار يعتقد أنه قد يكون هناك الكثير من التطبيقات لهذه التكنولوجيا من مجرد الشبكات الكمية. تتمثل قدرتها الأساسية في تشابك الذرات والفوتونات بقوة – وهي مهمة أساسية وصعبة في العديد من تقنيات الكم المختلفة عبر المجال.
قال: “أحد الأشياء التي نتحمس لها حقًا هو قدرة هذه المنصة على توليد تشابك فعال حقًا”. “يعتبر التشابك أمرًا أساسيًا لكل ما يهمنا تقريبًا من الكم، من الحوسبة إلى المحاكاة إلى المترولوجيا والساعات الذرية. أنا متحمس لرؤية ما يمكننا فعله أيضًا “.
المصدر: scitechdaily
قد يهمك:
