يصمم الفيزيائيون مفاتيح كمومية يمكن تفعيلها بواسطة فوتونات مفردة

لقد قام باحثون في جامعة هارفارد نجح في إنشاء مفاتيح الكم يمكن تشغيلها وإيقافها باستخدام فوتون واحد، وهو إنجاز تكنولوجي يمكن أن يمهد الطريق لإنشاء شبكات كمومية عالية الأمان.

 

وقال أستاذ الفيزياء ميخائيل لوكين، الذي قاد فريق البحث، إن المحولات الأولى من نوعها، المبنية من ذرات مفردة، يمكن ربطها في يوم من الأيام عبر كابلات الألياف الضوئية لتشكيل العمود الفقري لـ "الإنترنت الكمي" الذي يسمح باتصالات آمنة تمامًا. فريق يتكون من طالب الدراسات العليا جيف طومسون وزميل ما بعد الدكتوراه توبياس تيك لبناء النظام الجديد. تم تفصيل بحثهم في ورقة نشرت مؤخرًا في طبيعة.

وقال لوكين عن التقدم الجديد: "من وجهة نظر فنية، يعد هذا إنجازًا رائعًا". "من الناحية النظرية، الفكرة بسيطة للغاية - دفع مفتاح الإضاءة التقليدي إلى أقصى حد له. ما فعلناه هنا هو استخدام ذرة واحدة كمفتاح يمكنه، اعتمادًا على حالتها، فتح أو إغلاق تدفق الفوتونات... ويمكن تشغيله وإيقافه باستخدام فوتون واحد.

وعلى الرغم من أنه يمكن استخدام المفاتيح لبناء حاسوب كمي، إلا أن لوكين قال إنه من غير المرجح أن تظهر هذه التكنولوجيا في الكمبيوتر المكتبي العادي.

وقال إن المكان الذي سيتم استخدامه فيه هو إنشاء شبكات ألياف ضوئية تستخدم التشفير الكميوهي طريقة لتشفير الاتصالات باستخدام قوانين ميكانيكا الكم للسماح باتصال آمن تمامًا. مثل هذه الأنظمة تجعل من المستحيل اعتراض وقراءة الرسائل المرسلة عبر الشبكة، لأن عملية قياس جسم كمي تغيره، تاركة وراءها علامات واضحة على التجسس.

وقال: "من غير المرجح أن يحتاج الجميع إلى هذا النوع من التكنولوجيا". "ولكن هناك بعض التطبيقات الواقعية التي يمكن أن يكون لها في يوم من الأيام تأثير تحويلي على مجتمعنا. في الوقت الحاضر، يقتصر استخدامنا للتشفير الكمي على مسافات قصيرة نسبيًا – عشرات الكيلومترات. واستنادًا إلى التقدم الجديد، قد نتمكن في النهاية من توسيع نطاق التشفير الكمي إلى آلاف الكيلومترات.

والأهم من ذلك، كما قال تيكي، أن نظامهم قابل للتطوير بشكل كبير - ويمكن أن يسمح يومًا ما بتصنيع الآلاف من هذه المفاتيح في جهاز واحد.

"ما فعلناه حقًا هو أننا أخذنا أفكارًا كان الناس يستكشفونها، وما زالوا يستكشفونها، في أنظمة مجهرية حيث يرتد الضوء ذهابًا وإيابًا على مرآتين بحجم سنتيمترين للتفاعل مع الذرة - لقد أخذنا ذلك وقمنا بتقليص حجمه". قال طومسون. "على مدار عقدين من الزمن، كان الباحثون يعملون على اقتران اثنين أو ثلاثة من هذه الأنظمة العيانية وإنشاء شبكة بسيطة، ولكن من السهل جدًا بالنسبة لنا إنشاء ثلاثة أو أربعة أو 10000 من هذه الدوائر الضوئية. وما تظهره هذه الورقة هو، على الأقل من الناحية التكنولوجية، الطريق إلى الأمام.

ويعتقد لوكين أن هذه هي إحدى الطرق التي تمكن الأنظمة الكمومية من إجراء نفس التحول الذي حققته أجهزة الكمبيوتر التقليدية منذ عقود مضت - من الأنابيب المفرغة إلى الدوائر المتكاملة.

وقال: "تم تصنيع أجهزة الكمبيوتر التقليدية في البداية باستخدام الأنابيب المفرغة، وفي نهاية المطاف طور الناس دوائر متكاملة تستخدم في أجهزة الكمبيوتر الحديثة". "في وضع الأنظمة الكمومية اليوم، لا تزال أفضل الأنظمة مماثلة للأنابيب المفرغة - فهي تستخدم عادة غرف مفرغة لعزل الذرات المفردة والاحتفاظ بها باستخدام المجالات الكهرومغناطيسية.

وتابع: "لكن من الواضح جدًا أننا إذا أردنا توسيع نطاق هذه الأنظمة، فعلينا أن نفكر في استخدام الدوائر المتكاملة". "ما فعله جيف وتوبياس هو إنشاء نظام هجين. نحن نأخذ الذرات في غرف مفرغة ونجمعها مع دوائر متكاملة.

على الرغم من تصنيعها بطريقة مماثلة لصنع رقائق الكمبيوتر التقليدية، إلا أن دوائر متكاملة التي بناها طومسون وتيكي لا تعمل بالكهرباء، بل بالضوء.

تستخدم الرقائق تقنية النانو الضوئية - وهي في الأساس القدرة على إنشاء "أسلاك" يمكنها توجيه مسار الضوء والتحكم فيه - لبناء دوائر ضوئية يمكن توصيلها بعد ذلك بكابلات الألياف الضوئية.

بعد وضع الدوائر الضوئية وفي غرفة مفرغة من الهواء، استخدم الباحثون "ملقطًا بصريًا" - أشعة ليزر مركزة بدقة - لالتقاط ذرة واحدة وتبريدها إلى نسبة أعلى من درجة حرارة الصفر المطلق. ثم يقومون بعد ذلك بنقل الذرة إلى مسافة بضع مئات من النانومترات من الشريحة.

ومع ذلك، فإن مجرد الجمع بين الجزأين معًا لا يكفي.

لإنشاء مفاتيح كمومية قد تكون في يوم من الأيام في قلبها الشبكات الكموميةإنهم يقصفون الذرة بأشعة الميكروويف والليزر، مما يؤدي إلى دخولها في حالة التراكب الكمومي - مما يعني أنها يمكن أن تشغل حالات كمومية متعددة، تتوافق مع حالات "التشغيل" و"الإيقاف" للمفتاح، في وقت واحد.

وأوضح لوكين: "لكي ينجح هذا، يجب أن يتم إعداد مفتاح الذرة في حالة التراكب الخاصة هذه". "إن حالة التراكب هذه هشة للغاية - هشة للغاية لدرجة أنه عندما يضربها فوتون واحد، فإنه يغير مرحلته بالفعل. وهذا التغيير في الطور هو ما يسمح له بالعمل كالصمام، ويمكن تشغيله أو إيقافه.

في حين أنه من غير المرجح أن تصبح المفاتيح معدات قياسية لأجهزة الكمبيوتر الشخصية، قال لوكين إنها يمكن أن تظهر في النماذج الأولية للشبكات الكمومية في أقل من عقد من الزمن.

وقال طومسون: "هناك أنظمة أخرى أكثر تطوراً من حيث بناء الكمبيوتر الكمي". "لكن الميزة الرئيسية لما هو موضح في هذه الورقة هو أن مفتاح الذرة المفردة مقترن بإحكام شديد بالضوء، وتحديدًا بالضوء الموجود في الألياف الضوئية."