اختراق في مجال الاتصالات الكمومية: رقم قياسي عالمي جديد لتخزين Qubit
أجهزة الكمبيوتر والهواتف الذكية ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS): مكنت فيزياء الكم العديد من التطورات التكنولوجية.
وهي تفتح الآن مجالات جديدة للبحث في التشفير (فن تشفير الرسائل) بهدف تطوير شبكات اتصالات فائقة الأمان.
ومع ذلك، هناك عقبة واحدة: بعد بضع مئات من الكيلومترات داخل الألياف الضوئية، تختفي الفوتونات التي تحمل الكيوبتات أو “الفتات الكمومية” (المعلومات).
لذلك فهم بحاجة إلى “مكررات”، وهي نوع من “الترحيل”، والتي تعتمد جزئيًا على ذاكرة كمومية.
من خلال إدارة تخزين كيوبت في بلورة (“ذاكرة”) لمدة 20 مللي ثانية، حقق فريق من جامعة جنيف (UNIGE) رقمًا قياسيًا عالميًا واتخذ خطوة كبيرة نحو تطوير شبكات الاتصالات الكمومية لمسافات طويلة.
يمكن العثور على هذا البحث في المجلة معلومات الكم npj .
تم تطوير فيزياء الكم خلال القرن العشرين، وقد مكنت العلماء من وصف سلوك الذرات والجسيمات بالإضافة إلى خصائص معينة للإشعاع الكهرومغناطيسي.
من خلال الانفصال عن الفيزياء الكلاسيكية، ولدت هذه النظريات ثورة حقيقية وقدمت مفاهيم لا مثيل لها في العالم العياني مثل التراكب، الذي يصف إمكانية وجود الجسيم في عدة أماكن في وقت واحد، أو التشابك، والذي يصف قدرة جسيمين للتأثير على بعضها البعض بشكل فوري حتى من مسافة بعيدة (“عمل مخيف عن بعد”).
أصبحت نظريات الكم الآن في صميم الكثير من الأبحاث في مجال التشفير، وهو تخصص يجمع بين تقنيات تشفير الرسالة.
تتيح نظريات الكم ضمان مصداقية وسرية تامة للمعلومات (كيوبت) عندما يتم نقلها بين متحاورين بواسطة جسيم من الضوء (فوتون) داخل ألياف بصرية.
تسمح ظاهرة التراكب للمرسل بمعرفة ما إذا كان الفوتون الذي ينقل الرسالة قد تم اعتراضه.
حفظ الإشارة
ومع ذلك، هناك عقبة رئيسية أمام تطوير أنظمة الاتصالات الكمومية لمسافات طويلة: بعد بضع مئات من الكيلومترات، تُفقد الفوتونات وتختفي الإشارة.
نظرًا لأنه لا يمكن نسخ الإشارة أو تضخيمها – ستفقد الحالة الكمية التي تضمن سريتها – فإن التحدي يكمن في إيجاد طريقة لتكرارها دون تغييرها عن طريق إنشاء “مكررات” تستند، على وجه الخصوص، إلى ذاكرة كمومية.
يستخدم الكريستال لتخزين الكيوبتات الضوئية ويضيء بواسطة الليزر في ناظم البرد، وهو أداة للحصول على درجات حرارة شديدة البرودة. الائتمان: (ج) أنطونيو أورتو
في عام 2015، نجح الفريق بقيادة ميكائيل أفزيليوس ، وهو محاضر كبير في قسم الفيزياء التطبيقية في كلية العلوم بجامعة جنيف (UNIGE)، في تخزين كيوبت يحمله فوتون لمدة 0.5 مللي ثانية في بلورة (a ‘ذاكرة’).
سمحت هذه العملية للفوتون بنقل حالته الكمومية إلى ذرات البلورة قبل أن تختفي.
ومع ذلك، فإن هذه الظاهرة لم تدم طويلاً بما يكفي للسماح ببناء شبكة أكبر من الذكريات، وهو شرط أساسي لتطوير الاتصالات الكمومية لمسافات طويلة.
سجل التخزين
اليوم، في إطار برنامج Quantum Flagship الأوروبي، تمكن فريق Mikael Afzelius من زيادة هذه المدة بشكل كبير من خلال تخزين كيوبت لمدة 20 مللي ثانية.
“هذا رقم قياسي عالمي لذاكرة كمومية تعتمد على نظام الحالة الصلبة، في هذه الحالة بلورة. لقد تمكنا حتى من الوصول إلى علامة 100 مللي ثانية مع خسارة صغيرة في الإخلاص “، يحمس الباحث.
كما في عملهم السابق، استخدم علماء UNIGE بلورات مخدرة بمعادن معينة تسمى “ الأتربة النادرة ” (اليوروبيوم في هذه الحالة)، القادرة على امتصاص الضوء ثم إعادة بثه.
تم الاحتفاظ بهذه البلورات عند -273،15 درجة مئوية (الصفر المطلق)، لأنه بعد 10 درجات مئوية فوق درجة الحرارة هذه، يدمر التقليب الحراري للبلورة تشابك الذرات.
“لقد طبقنا حقلاً مغناطيسيًا صغيرًا من واحد في الألف من تسلا على البلورة واستخدمنا طرق الفصل الديناميكي، والتي تتمثل في إرسال ترددات راديو مكثفة إلى البلورة.
يتمثل تأثير هذه التقنيات في فصل أيونات الأرض النادرة عن اضطرابات البيئة وزيادة أداء التخزين الذي نعرفه حتى الآن بما يقرب من 40 ضعفًا “، كما يوضح أنطونيو أورتو ، زميل ما بعد الدكتوراه في قسم التطبيقات.
الفيزياء في UNIGE. تشكل نتائج هذا البحث تقدمًا كبيرًا في تطوير شبكات الاتصالات الكمومية لمسافات طويلة. كما أنهم يجلبون تخزين الحالة الكمومية التي يحملها الفوتون إلى نطاق زمني يمكن للبشر تقديره.
نظام فعال في عشر سنوات
ومع ذلك، لا تزال هناك العديد من التحديات التي يتعين مواجهتها. “التحدي الآن هو إطالة وقت التخزين أكثر.
من الناحية النظرية، سيكون كافيًا زيادة مدة تعرض البلورة للترددات الراديوية، ولكن في الوقت الحالي، تمنعنا العوائق التقنية التي تعترض تنفيذها على مدى فترة زمنية أطول من تجاوز 100 ميلي ثانية.
ومع ذلك، فمن المؤكد أن هذه الصعوبات التقنية يمكن حلها “، كما يقول ميكائيل أفزيليوس.
المصدر: scitechdaily
قد يهمك:
