يمكن لكاشف PEACOQ التابع لناسا تغيير كيفية تبادل أجهزة الكمبيوتر الكمومية لكميات ضخمة من البيانات
يحقق كاشف الكم PEACOQ التابع لناسا إنجازًا رائدًا على مستوى العالم
يمكن لكاشف JPL الجديد والمطور من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا أن يغير كيفية تبادل أجهزة الكمبيوتر الكمومية، التي تقع على بعد آلاف الأميال، كميات هائلة من البيانات الكمومية.
تعد أجهزة الكمبيوتر الكمومية بأنها تعمل أسرع بملايين المرات من أجهزة الكمبيوتر التقليدية. ولكن للتواصل عبر مسافات طويلة، ستحتاج أجهزة الكمبيوتر الكمومية إلى شبكة اتصالات كمومية مخصصة.
للمساعدة في تكوين مثل هذه الشبكة، تم تطوير جهاز بواسطة علماء في مختبر الدفع النفاث التابع لوكالة ناسا ومعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا يمكنه حساب أعداد هائلة من الفوتونات المفردة – جزيئات الضوء الكمومية – بدقة لا تصدق. مثل قياس قطرات الماء الفردية أثناء رشها بخرطوم إطفاء، فإن كاشف المصفوفة المعززة للأداء لحساب العد البصري Quanta (PEACOQ) قادر على قياس الوقت الدقيق الذي يضربه كل فوتون، في غضون 100 تريليون جزء من الثانية، بمعدل 1.5 مليار فوتون في الثانية. لم يحقق أي كاشف آخر هذا المعدل.
قالت عضو فريق مشروع PEACOQ، إيوانا كريسيو ، باحثة ما بعد الدكتوراه في مختبر الدفع النفاث والمؤلف الرئيسي لدراسة تصف هذه النتائج: “كان نقل المعلومات الكمومية عبر مسافات طويلة، حتى الآن، محدودًا للغاية”. “تتيح تقنية الكاشف الجديدة مثل PEACOQ التي يمكنها قياس فوتونات مفردة بدقة جزء من النانو ثانية إرسال معلومات كمومية بمعدلات أعلى وأبعد.”
تُظهر هذه الصورة عدة كاشفات PEACOQ بعد فترة وجيزة من طباعتها على رقاقة سيليكون. تُظهر الصورة الداخلية تفاصيل PEACOQ واحد. كل كاشف PEACOQ أصغر قليلاً من الدايم. الائتمان: NASA / JPL-Caltech
مطلوب شبكة مخصصة
تنقل أجهزة الكمبيوتر التقليدية البيانات من خلال أجهزة المودم وشبكات الاتصالات عن طريق عمل نسخ من المعلومات على شكل سلسلة من 1 و0، وتسمى أيضًا بتات. ثم يتم نقل التات عبر الكابلات، على طول الألياف الضوئية، وعبر الفضاء عبر ومضات من الضوء أو نبضات موجات الراديو. عند استلامها، يتم إعادة تجميع البات لإعادة إنشاء البيانات التي تم إرسالها في الأصل.
تتواصل أجهزة الكمبيوتر الكمومية بشكل مختلف. يشفرون المعلومات على هيئة بتات كمومية – أو كيوبتات – في الجسيمات الأساسية، مثل الإلكترونات والفوتونات، التي لا يمكن نسخها وإعادة إرسالها دون تدميرها. إضافة إلى التعقيد، تتحلل المعلومات الكمية المنقولة عبر الألياف الضوئية عبر الفوتونات المشفرة بعد بضع عشرات من الأميال، مما يحد بشكل كبير من حجم أي شبكة مستقبلية.
يظهر هنا مات شو، الذي يقود عمل كاشف الموصلية الفائقة في مختبر الدفع النفاث، وهو يتفقد PEACOQ المركب على ناظم ناظم ، والذي يستخدم للحفاظ على درجات الحرارة المنخفضة للغاية المطلوبة لعمل الكاشف. الائتمان: NASA / JPL-Caltech
لكي تتواصل أجهزة الكمبيوتر الكمومية بما يتجاوز هذه القيود، يمكن أن تتضمن شبكة كمومية بصرية مخصصة للمساحة الخالية “عُقدًا” فضائية على متن أقمار صناعية تدور حول الأرض. ستنقل هذه العقد البيانات عن طريق توليد أزواج من الفوتونات المتشابكة التي سيتم إرسالها إلى محطتي كمبيوتر كميتين على بعد مئات أو حتى آلاف الأميال عن بعضها البعض على الأرض.
ترتبط أزواج الفوتونات المتشابكة ارتباطًا وثيقًا لدرجة أن قياس أحدهما يؤثر فورًا على نتائج قياس الآخر، حتى عندما يفصل بينهما مسافة كبيرة. ولكن من أجل استقبال هذه الفوتونات المتشابكة على الأرض بواسطة طرف حاسوب كمي، هناك حاجة إلى كاشف شديد الحساسية مثل PEACOQ لقياس الوقت الذي يستقبل فيه كل فوتون بدقة وتسليم البيانات التي يحتوي عليها.
ريش فائق التوصيل
الكاشف نفسه صغير. يبلغ قطره 13 ميكرونًا فقط، ويتألف من 32 أسلاكًا نانوية فائقة التوصيل من نيتريد النيوبيوم على شريحة سيليكون مع موصلات تنفجر مثل ريش الاسم نفسه للكاشف. كل سلك نانوي أرق بـ 10000 مرة من شعرة الإنسان.
بتمويل من برنامج الاتصالات الفضائية والملاحة التابع لوكالة ناسا (SCaN) داخل مديرية عمليات العمليات الفضائية التابعة للوكالة والذي تم بناؤه بواسطة مختبر الأجهزة الدقيقة التابع لمختبر الدفع النفاث، يجب أن يظل كاشف PEACOQ في درجة حرارة مبردة فوق الصفر المطلق أو سالب 458 درجة فهرنهايت (ناقص 272) درجات مئوية). هذا يحافظ على الأسلاك النانوية في حالة فائقة التوصيل، وهو أمر مطلوب لها لتكون قادرة على تحويل الفوتونات الممتصة إلى نبضات كهربائية تنقل البيانات الكمومية.
يقف أعضاء فريق PEACOQ بجانب ناظور مختبر الدفع النفاث (JPL) الذي تم استخدامه لاختبار الكاشف. من اليسار، أليكس والتر، وساهيل باتل، وأندرو مولر، وإيوانا كرايسيو ، وبوريس كورز، ومات شو، وجيمي لوسكين. الائتمان: NASA / JPL-Caltech
على الرغم من أن الكاشف يحتاج إلى أن يكون حساسًا بدرجة كافية للفوتونات الفردية، إلا أنه مصمم أيضًا لتحمل التعرض للعديد من الفوتونات في وقت واحد. عندما يصطدم فوتون واحد من الأسلاك النانوية في الكاشف، فإنه غير قادر على اكتشاف فوتون آخر – فترة تسمى “الوقت الميت” – ولكن كل سلك نانوي فائق التوصيل مصمم ليكون له أقل وقت ممكن. علاوة على ذلك، تم تجهيز PEACOQ بـ 32 سلكًا نانويًا بحيث يمكن للآخرين التقاط الركود بينما يكون أحدهم “ميتًا”.
قال كرايسيو: “على المدى القريب، سيتم استخدام PEACOQ في التجارب المعملية لإثبات الاتصالات الكمية بمعدلات أعلى أو عبر مسافات أكبر”. “على المدى الطويل، يمكن أن توفر إجابة على السؤال المتعلق بكيفية نقل البيانات الكمية حول العالم.”
اختبار الفضاء السحيق
جزء من جهد أكبر لوكالة ناسا لتمكين الاتصالات الضوئية للفضاء الحر بين الفضاء والأرض، يعتمد PEACOQ على الكاشف الذي تم تطويره من أجل عرض تكنولوجيا الاتصالات الضوئية للفضاء العميق (DSOC) التابع لناسا. سيتم إطلاق DSOC مع مهمة Psyche التابعة لناسا في وقت لاحق من هذا العام لإثبات، ولأول مرة، كيف يمكن أن تعمل الاتصالات الضوئية ذات النطاق الترددي العالي بين الأرض والفضاء السحيق في المستقبل.
تقف Ioana Craiciu ، التي قادت الدراسة، بجانب ناظم البرد الذي تم استخدامه لاختبار PEACOQ في درجات حرارة منخفضة تصل إلى درجة فوق الصفر المطلق. عند درجة الحرارة هذه، يكون الكاشف في حالة فائقة التوصيل، مما يسمح لأسلاكه النانوية بتحويل الفوتونات الممتصة إلى نبضات كهربائية.
الائتمان: NASA / JPL-Caltech
في حين أن DSOC لن تنقل المعلومات الكمومية، فإن محطتها الأرضية في مرصد Palomar التابع لمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في جنوب كاليفورنيا تتطلب نفس الحساسية الشديدة من أجل حساب الفوتونات المفردة التي تصل عبر الليزر من جهاز الإرسال والاستقبال DSOC أثناء انتقالها عبر الفضاء السحيق.
قال مات شو، الذي يقود عمل كاشف JPL فائق التوصيل: “إنها كلها نوع من التكنولوجيا نفسها مع فئة جديدة من الكاشف”. “سواء تم ترميز هذا الفوتون بمعلومات كمومية أو ما إذا كنا نريد اكتشاف فوتونات مفردة من مصدر ليزر في الفضاء السحيق، ما زلنا نحسب فوتونات مفردة.”
المصدر: scitechdaily
قد يهمك:
