مكرر الكم: يقترب الإنترنت الكمي بفضل اختراقات الذاكرة المتشابكة

تلقت الجهود المبذولة لبناء شبكة إنترنت كمومية عالمية دفعة قوية من تطورين في مجال تخزين المعلومات الكمومية، قد يجعلان من الممكن يومًا ما التواصل بشكل آمن عبر مئات أو آلاف الكيلومترات.

يتضمن الإنترنت كما هو موجود اليوم إرسال سلاسل من البتات الرقمية، أو 0 و1، في شكل إشارات كهربائية أو بصرية، لنقل المعلومات. إن الإنترنت الكمومي، الذي يمكن استخدامه لإرسال اتصالات غير قابلة للاختراق أو ربط أجهزة الكمبيوتر الكمومية، سوف يستخدم البتات الكمومية بدلاً من ذلك. وتعتمد هذه على خاصية كمية تسمى التشابك، وهي ظاهرة يمكن من خلالها ربط الجسيمات وقياس جسيم واحد يؤثر على الفور على حالة الآخر، بغض النظر عن مدى تباعده.

يتطلب إرسال هذه البتات الكمومية المتشابكة، أو الكيوبتات، لمسافات طويلة جدًا، مكررًا كميًا، وهو عبارة عن قطعة من الأجهزة يمكنها تخزين الحالة المتشابكة في الذاكرة وإعادة إنتاجها لنقلها إلى مسافة أبعد. يجب وضعها في نقاط مختلفة على شبكة بعيدة المدى لضمان وصول الإشارة من A إلى B دون أن تتدهور.

لا توجد مكررات كمومية حتى الآن، ولكن أثبتت مجموعتان من الباحثين الآن ذاكرة تشابك طويلة الأمد في الشبكات الكمومية على مدى عشرات الكيلومترات، وهي الخصائص الأساسية اللازمة لمثل هذا الجهاز.

أنشأ كان كنوت – من جامعة هارفارد – وزملاؤه شبكة كمومية تتكون من عقدتين تفصل بينهما حلقة من الألياف الضوئية تمتد لمسافة 35 كيلومترًا عبر مدينة بوسطن. تحتوي كل عقدة على بتة كمومية للاتصالات، تُستخدم لنقل المعلومات، وبتة كمومية للذاكرة، والتي يمكنها تخزين الحالة الكمومية لمدة تصل إلى ثانية. يقول كنوت: “لقد وضعتنا تجربتنا في موقف قريب جدًا من العمل على عرض توضيحي للمكرر الكمي”.

ولإنشاء الرابط، قام كنوت وفريقه بتشابك العقدة الأولى، التي تحتوي على نوع من الماس به ثقب بحجم الذرة، مع فوتون أرسلوه إلى العقدة الثانية، التي تحتوي على ألماسة مماثلة. عندما يصل الفوتون إلى الماسة الثانية، يصبح متشابكًا مع العقدتين. الماس قادر على تخزين هذه الحالة لمدة ثانية. يقول كنوت إنه من الممكن إثبات وجود مكرر كمي يعمل بكامل طاقته باستخدام تقنية مماثلة في العامين المقبلين، وهو ما من شأنه تمكين الشبكات الكمومية من ربط المدن أو البلدان.

وفي عمل منفصل، قام شياو هوي باو – من جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين – وزملاؤه بربط ثلاث عقد معًا، يفصل بين كل منها حوالي 10 كيلومترات في مدينة خفي. يستخدم باو وفريقه سحبًا فائقة البرودة مكونة من مئات الملايين من ذرات الروبيديوم لتوليد فوتونات متشابكة، ثم يرسلونها عبر العقد الثلاث. مركز العقد الثلاث قادر على تنسيق هذه الفوتونات لربط السحب الذرية، والتي تعمل كشكل من أشكال الذاكرة.

يتمثل التقدم الرئيسي الذي أحرزه باو وشبكة فريقه في مطابقة تردد اجتماع الفوتونات في العقدة المركزية، وهو ما سيكون حاسمًا للمكررات الكمومية التي تربط العقد المختلفة. وفي حين أن وقت التخزين كان أقل من وقت فريق كناوت، وهو 100 ميكروثانية، إلا أنه لا يزال طويلًا بما يكفي لإجراء عمليات مفيدة على المعلومات المرسلة.

يقول محسن رضوي من جامعة ليدز بالمملكة المتحدة إن هذه العروض التوضيحية لذاكرة التشابك الكمي تعد إنجازًا كبيرًا مقارنة بما كانت عليه تقنيات الإنترنت الكمومية قبل 10 سنوات. ومع ذلك، فإن الشبكة التي تعمل بكامل طاقتها والمزودة بمكررات كمومية ستحتاج إلى معدلات توليد تشابك أعلى، كما يقول.

يقول أليكس كلارك من جامعة بريستول بالمملكة المتحدة: “يشير هذا إلى شبكة كمومية قابلة للتطوير للغاية، وذات عدد كبير من المستخدمين”. “إن معدلات التشابك الحالية بطيئة للغاية ومحدودة بكفاءات مختلفة في الأنظمة، لذلك هناك الكثير من هندسة الشبكات الكمومية والكلاسيكية التي سيتعين عليها الخوض في تقليل تلك الخسائر وزيادة تلك الكفاءات.”