في خطوة كبيرة قد تُسرّع من بزوغ فجر الإنترنت الكمومي لعالمنا، أعلن فريق من العلماء في جامعة نانجينج بالصين عن نجاحهم في تحقيق ظاهرة “النقل الآني” للمعلومات.
هذا الإنجاز، الذي نُشر في دراسة حديثة في دورية “فيزيكال ريفيو ليترز”، يستغل أحد أغرب الظواهر في ميكانيكا الكم والتي لا تكف عن إثارة دهشة العلماء حول العالم.
ويقول شياو سونغ ما، الباحث في قسم الفيزياء في مختبر نانجينج الصيني للبنى المجهرية للحالة الصلبة، والمشارك في الدراسة، في تصريحات حصرية للجزيرة نت، محتفلا بالإنجاز “لقد نجحنا في إثبات إمكانية إجراء النقل الآني الكمومي من ضوء مستخدم في الاتصالات إلى ذاكرة كمومية في الحالة الصلبة تعتمد على أيونات الإربيوم”.
ويكمن جوهر هذا الإنجاز في ربط عالمين، وهما عالم الفوتونات الضوئية، التي تعد أفضل حامل للمعلومات الكمومية عبر مسافات طويلة، مع عالم الذاكرة الكمومية الصلبة، القادرة على تخزين هذه المعلومات الهشة ومعالجتها.
حالة خاصة جدا
على عكس ما تصوره أفلام الخيال العلمي، فالنقل الآني المقصود هنا ليس نقل إنسان أو مادة من مكان إلى آخر، بل المقصود هو عملية نقل “للمعلومات” أو بالأحرى للحالة الكمومية الدقيقة لجسيم ما، مثل فوتون، إلى جسيم آخر بعيد.
والحالة الكمومية هي الوصف الكامل لجميع الخصائص الممكنة لجسيم دون ذري مثل الإلكترون أو الفوتون، والتي تشمل موقعه، وسرعته، وطاقته، إلخ، ولكن بطريقة تختلف تمامًا عما يمكن أن تتصور.
في العالم الكلاسيكي (عالم الحياة اليومية)، يمكننا أن نعرف موقع وسرعة جسم ما بدقة في وقت واحد، أما في العالم الكمومي، فالحالة الكمومية لا تحدد نتيجة واحدة أكيدة، بل تعطي احتمالات لنتائج مختلفة، تخيّل مثلا أنك تصف عملة تدور في الهواء، وتقول: “هناك 50% احتمال أن تسقط على وجه الصورة، و50% على الكتابة”، لكن لا يمكنك الجزم إلا بعد أن تقع، هذا شبيه بالحالة الكمومية.
يشرح سونغ: “تصف الحالة الكمومية سلوك الفوتونات. إذ يمكن للحالة الكمومية أن توجد في حالة تراكب بحسب ميكانيكا الكم، أي قد يُحتمل أن يكون الفوتون في الحالة “أ” ويُحتمل أن يكون في الحالة “ب” في نفس الوقت، وهذا يعني أن المُستقبِل يمكنه استنساخ وتخزين الحالة الكمومية الأولية عن بُعد دون إجراء أي قياس على الفوتونات المُرسلة، وهذا هو جوهر المكررات الكمومية”.
نقل من خلال ميكانيكا الكم
في الإنترنت التقليدي، تضعف الإشارة الرقمية الثنائية (0 و1) الناقلة للبيانات بعد مسافة معينة، فيقوم ما يعرف بـ”المُكرر” بقراءة الإشارة قبل ضياعها، ونسخها، ثم إعادة إرسال نسخة مُكررة قوية.
لكن هذه الطريقة مستحيلة في العالم الكمومي، إذ لا يمكن إنشاء نسخة مثالية من حالة كمومية غير معروفة لأن مجرد محاولة قراءة الحالة الكمومية بهدف تكرارها سيؤدي إلى تدميرها وفقدان معلوماتها الكمومية الاحتمالية الهشة.
ولكن في هذه التجربة، دمّر العلماء الحالة الكمومية للفوتون الأصلي في موقع الإرسال كما هو متوقع، لكنهم نجحوا في إظهار نسخة طبق الأصل منه في موقع الاستقبال، مما سمح بنقل المعلومات الكمومية قبل تعرضها للتلف أثناء الانتقال عبر الأسلاك أو القنوات المادية المعتادة، وهو أمر ضروري لبناء “مُكررات” كمومية قادرة على تطوير مدى الاتصالات الكمومية لمسافات كبيرة.
تتم العملية عبر ظاهرة كمومية شهيرة تُعرف باسم “التشابك الكمومي”، حيث يرتبط جسيمان بطريقة خفية تجعل قياس حالة أحدهما مؤثرة فوريا على حالة الآخر، حتى وإن بلغت المسافة الفاصلة بينهما الكون بأسره.
الطريق السريع للبيانات
يكمن أحد الجوانب الأكثر أهمية في هذه الدراسة في اختيار مكوناتها بعناية فائقة لتكون متوافقة مع التكنولوجيا الحالية، فقد كان العثور على ذاكرة كمومية قادرة على العمل بكفاءة في نطاق مماثل للنطاق الذي تستخدمه شبكات الألياف الضوئية العالمية تحديا كبيرا من أجل الاستفادة من عقود من التطور في تكنولوجيا الاتصالات والبنية التحتية الموجودة بالفعل والبناء عليها.
هنا يأتي دور أيونات الإربيوم، وهو عنصر نادر زرعه الباحثون داخل بلورة من مادة خاصة. يعلق سونغ: “تمتلك أيونات الإربيوم تحولات بصرية فريدة ومناسبة ضمن هذا النطاق تحديدًا، مما يجعل هذا المزيج مهمًّا جدًّا لمستقبل التقنيات الكمومية”.
عند تبريد أيونات الإربيوم إلى درجات حرارة شديدة الانخفاض تبلغ حوالي 200 ملي كلفن، أي أبرد من الفضاء السحيق، تصبح قادرة على امتصاص وتخزين الحالة الكمومية للفوتون الضوئي لفترة وجيزة، ثم إعادة إطلاقه عند الطلب.
تحدث عملية التخزين عندما يمتص أيون الإربيوم فوتونا ضوئيا، نتيجة لذلك فإن إلكترونا بداخله “يقفز” من مستوى طاقة منخفض إلى مستوى أعلى، هذه “القفزة” هي ما يُسمى تحولًا بصريًّا، لأنها تحدث نتيجة امتصاص الضوء (أو إطلاقه لاحقًا). خلال هذه القفزة، يحتفظ الأيون بمعلومات الفوتون، كأن الأيون صار ذاكرة مؤقتة.
وبعد فترة قصيرة، يمكن “تحفيز” الأيون ليُطلق فوتونًا يحمل نفس المعلومات الكمومية الأصلية، كأنه يخرج الرسالة المحفوظة داخله من الصندوق ويعيد إرسالها.
نقل آني للفوتونات
لتنفيذ عملية النقل الآني، صمم الفريق تجربة معقدة تتكون من عدة أجزاء رئيسية، حيث استخدموا شريحة سيليكونية قادرة على توليد أزواج من الفوتونات المتشابكة للاستفادة من خاصية التشابك الكمومي. هذه الشريحة، التي يمكن إنتاجها بكميات كبيرة، هي خطوة نحو جعل التكنولوجيا أقل تكلفة وأكثر قابلية للتطوير.
يؤخذ فوتون “دخيل” غير متشابك يحمل الحالة الكمومية المراد نقلها مع واحد من فوتوني الزوج المتشابك ويسمى الفوتون “العاطل”، ويُدفعان دفعًا للتفاعل معًا إلى أن يُدمَّر الفوتونان، ولكن بفضل التشابك الكمومي، ينقل الفوتون العاطل حالة الفوتون الدخيل فورًا إلى الفوتون البعيد قبل التدمير.
يُرسل الفوتون المتبقي، والمُسمى فوتون “الإشارة”، إلى ذاكرة الإربيوم المُهيأة لاستقباله وامتصاصه ثم إعادة إطلاقه في ذات الحالة التي تم امتصاصه فيها مكررة إياه كالصدى.
والمسافة بين عملية الامتصاص وإعادة الإطلاق تُعرف باسم فترة التخزين، وقد نجح الفريق في تخزين الحالة الكمومية المنقولة في مجموعة أيونات الإربيوم لفترة تجاوزت 2 ميكروثانية!
يقول سونغ: “زمن تماسك الفوتونات العاطلة ليس طويلاً (حوالي 1 نانوثانية)، مما يصعب تحقيق تراكب مثالي بين الفوتونات الدخيلة والفوتونات العاطلة في النطاق الزمني”.
ولكن على الرغم من هذه الصعوبات، أثبت الفريق نجاح العملية، كما تمكنوا من التحقق من أن الحالة الكمومية المخزنة مطابقة للأصلية بدقة بلغت في المتوسط 81.8%، وهو ما يتجاوز بشكل كبير الحد الأقصى النظري الذي يمكن تحقيقه بأي إستراتيجية غير كمومية، مما يؤكد بشكل قاطع أن العملية كمومية بحتة.
يقول سونغ: “في رأيي، زمن التخزين العملي لشبكة كمومية واقعية يحتاج إلى أن يصل إلى أكثر من 500 ميكروثانية. لكن حاليًا، ما زال زمن التخزين في تجاربنا محدودا”. أي أنها تظل فترة قصيرة جدًّا مقارنةً بتطبيقات العالم الحقيقي، ويقر الفريق بهذا التحدي ويعمل بالفعل على الخطوات التالية.