في إنجاز رائد، نجحت ثلاثة فرق بحثية منفصلة في الولايات المتحدة والصين وهولندا في إثبات التشابك الكمي (Quantum entanglement) على مدى عدة كيلومترات من الألياف الضوئية الموجودة في مناطق حضرية. هذا الإنجاز الكبير يجعلنا نقترب خطوة أخرى من تطوير الإنترنت الكمي (quantum internet)، وهي شبكة يمكن أن تحدث ثورة في الطريقة التي نتبادل بها المعلومات.
قدمت فرق البحث، بقيادة علماء الفيزياء البارزين تريسي نورثوب، وسيمون باير، ورونالد هانسون، وبان جيان وي، وميخائيل لوكين، مساهمات كبيرة في مجال الاتصال الكمي. حيث أثبت الفريقان القدرة على ربط أجزاء من الشبكة باستخدام الفوتونات في جزء الأشعة تحت الحمراء الصديق للألياف الضوئية من الطيف، مما يمهد الطريق لتطوير الإنترنت الكمي. وقد تم نشر اثنتين من الدراسات في مجلة (Nature) في 15 مايو، في حين تم نشر الدراسة الثالثة الشهر الماضي في نسخة أولية نُشرت على (arXiv).
هذا التقدم العلمي لديه القدرة على تمكين المستخدمين من إنشاء مفاتيح تشفير غير قابلة للاختراق تقريبًا لحماية المعلومات الحساسة، ويمكن أن يؤدي إلى تطوير أجهزة كمبيوتر كمومية أكثر قوة وتجارب علمية متقدمة.
محتويات المقال :
علم التشابك الكمي
تخيل راقصين، تفصل بينهما مسافات شاسعة لدرجة أن السفر بينهما قد يستغرق سنوات، ومع ذلك، لا يزال بإمكانهما أداء روتين مصمم بشكل مثالي، كما لو أنهما متصلان بخيط غير مرئي. وهذا، في جوهره، هو مفهوم التشابك الكمي، وهو العمود الفقري للإنترنت الكمي في المستقبل.
التشابك الكمي في جوهره هو ظاهرة حيث يصبح جسيمان أو أكثر متصلين بطريقة تجعل خصائصهما، مثل الدوران أو الزخم أو الطاقة، مرتبطة، بغض النظر عن المسافة بينهما. إذا حدث شيء ما لجسيم واحد، فإنه يؤثر على الفور على الآخر، حتى لو كانت المسافة بينهما مليارات الكيلومترات. الآن، تخيل استبدال الجسيمات بالفوتونات، الوحدات الأساسية للضوء. من خلال تشابك الفوتونات، يمكن للباحثين إنشاء اتصال كمي، مما يتيح تبادل المعلومات بطريقة آمنة وفورية تقريبًا.
لفهم هذا المفهوم المذهل، دعونا نتعمق في عالم ميكانيكا الكم الغريب. في الفيزياء الكلاسيكية، الأجسام لها مواقع وسرعات وطاقات محددة. ومع ذلك، في عالم الكم، توجد الجسيمات في حالة من التراكب، حيث يمكنها أن تتواجد في حالات متعددة في وقت واحد، مثل الدوران في اتجاه عقارب الساعة وعكس اتجاه عقارب الساعة في نفس الوقت.
تاريخ أبحاث الإنترنت الكمي
ظل مفهوم الإنترنت الكمي يتبلور في أذهان العلماء منذ عقود. لقد كانت فكرة تسخير قوة ميكانيكا الكم لإنشاء شبكة غير قابلة للكسر والاختراق وفائقة الأمان بمثابة احتمال محير. لكن الرحلة للوصول إلى هنا كانت طويلة وشاقة، ومليئة بالتحولات والمنعطفات التي شكلت البحث إلى ما هو عليه اليوم.
في أوائل التسعينيات، بدأ العلماء في استكشاف إمكانيات الاتصال الكمي، مدفوعين بعمل رواد مثل تشارلز بينيت وستيفن ويزنر. واقترحوا مفهوم التشفير الكمي، الذي استخدم مبادئ ميكانيكا الكم لتشفير الرسائل وفك تشفيرها. كان هذا بمثابة بداية حقبة جديدة في أبحاث التشفير، مما أثار موجة من النشاط بين العلماء في جميع أنحاء العالم.
جاءت إحدى الإنجازات الرئيسية في عام 1991 عندما قام الفيزيائيان تشارلز بينيت وجيل براسارد بتطوير أول بروتوكول للتشفير الكمي، المعروف باسم (BB84). استخدم هذا البروتوكول التشابك الكمي لتشفير الرسائل وفك تشفيرها، ووضع الأساس للأبحاث المستقبلية.
شهد العقد الأول من القرن الحادي والعشرين زيادة كبيرة في الاهتمام بأبحاث الإنترنت الكمي، مدفوعًا بالتقدم في الحوسبة الكمية وإدراك الفوائد المحتملة للإنترنت الكمي. بدأ الباحثون في استكشاف إمكانيات استخدام التشابك الكمي لربط العقد البعيدة، مما يمهد الطريق لتطوير الإنترنت الكمي.
واليوم، نحن نقف على عتبة إنجاز كبير، مع ثلاث مجموعات بحثية منفصلة تعرض التشابك الكمي على مدى عدة كيلومترات من الألياف الضوئية الموجودة في مناطق حضرية حقيقية. ويعد هذا الإنجاز بمثابة شهادة على الجهود الدؤوبة التي بذلها العلماء على مدى عقود من الزمن، للعمل على كشف أسرار ميكانيكا الكم وتسخير قوتها.
كسر حاجز المسافة
كان التشابك الكمي مقتصرًا على المختبر، حيث يمكن للباحثين التحكم في البيئة لتقليل التداخل. ومع ذلك، فقد ثبت أن التوسع في مسافات العالم الحقيقي يمثل تحديًا كبيرًا. ويكمن السبب في الطبيعة الهشة للمعلومات الكمية، والتي غالبًا ما تحملها فوتونات فردية. هذه الفوتونات عرضة للفقدان والتداخل، مما يجعل من الصعب الحفاظ على التشابك على مسافات طويلة.
وللتغلب على هذه العقبة، استخدمت فرق البحث حلولاً مبتكرة. يتضمن أحد الأساليب استخدام أجهزة الذاكرة الكمية لتخزين الكيوبتات (Qubit)، وهي المعادل الكمي للبتات الكلاسيكية. يمكن أن توجد هذه البتات الكمومية في حالات متعددة في وقت واحد، مما يسمح بتشفير المعلومات الكمومية. ومن خلال استخدام الفوتونات بذكاء لتشابك الكيوبتات، تمكن الباحثون من سد فجوة المسافة.
استخدم أحد الفرق، بقيادة بان جيان وي من جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين، ذرات الروبيديوم (Rubidium) لتشفير الكيوبتات. تم تخزين هذه الذرات في مختبرات منفصلة، متصلة بواسطة الألياف الضوئية بالخادم الضوئي المركزي. ومن خلال تنظيم وصول الفوتونات إلى الخادم، تمكن الفريق من تحقيق تشابك الكيوبتات عبر مسافات تصل إلى 10 كيلومترات.
وفي الوقت نفسه، حقق فريق رونالد هانسون في جامعة دلفت للتكنولوجيا في هولندا التشابك بين ذرات النيتروجين الفردية المدمجة في بلورات الماس. وقد سمح لهم هذا النهج بربط مختبرين في مدينة لاهاي، يمتدان على مسافة 25 كيلومترًا. وبطريقة مختلفة، استخدم فريق ميخائيل لوكين في جامعة هارفارد أجهزة تعتمد على الألماس مع ذرات السيليكون لإنشاء كيوبتات متشابكة. ومن خلال توجيه الألياف الضوئية بذكاء حول منطقة بوسطن، قاموا بمحاكاة ظروف الشبكة الحضرية بشكل فعال.
البحث عن تواصل كمي سلس
أحد التحديات الرئيسية في تحقيق هذا الهدف هو هشاشة المعلومات الكمومية. تعتبر البتات الكمومية، أو الكيوبتات، حساسة للغاية لبيئتها، مما يجعلها عرضة للأخطاء والانحلال. للتغلب على هذه المشكلة، قام العلماء باستكشاف طرق مختلفة لتخزين ونقل المعلومات الكمومية عبر مسافات طويلة. وفي التجارب الأخيرة، استخدم الباحثون أنواعًا مختلفة من أجهزة الذاكرة الكمومية لتخزين الكيوبتات. يمكن لهذه الأجهزة تخزين المعلومات الكمومية لفترات قصيرة من الزمن، مما يسمح بنقل المعلومات الكمومية عبر مسافات طويلة.
يكمن مفتاح التواصل الكمي السلس في القدرة على تشابك الكيوبتات عبر مسافات طويلة. وهذا يعني أن الكيوبتات متصلة بطريقة تجعل حالة أحد الكيوبتات تتأثر على الفور بحالة الكيوبت الآخر، بغض النظر عن المسافة بينهما. ولتحقيق ذلك، كان على الباحثين التغلب على تحديات دقة التوقيت، حيث أن الاختلافات الطفيفة في التوقيت يمكن أن تعطل عملية التشابك.
وعلى الرغم من هذه التحديات، فإن التجارب الأخيرة تمثل علامة فارقة مهمة في السعي إلى التواصل الكمي السلس. ومن خلال إظهار القدرة على تشابك الكيوبتات على مسافة عدة كيلومترات من الألياف الضوئية الموجودة، أظهر الباحثون أنه من الممكن إنشاء شبكة كمومية يمكنها التواصل بشكل آمن عبر مسافات طويلة.
مستقبل الإنترنت الكمي: إمكانيات غير محدودة
تخيل عالماً حيث المعلومات الحساسة، مثل المعاملات المالية أو الاتصالات السرية، محمية بدرع لا يمكن اختراقه من التشفير الكمي. من شأن الإنترنت الكمومي أن يتيح إنشاء مفاتيح تشفير غير قابلة للكسر، مما يحافظ على سلامة حياتنا الرقمية.
ولكن هذا ليس كل شيء. يتمتع الإنترنت الكمي بالقدرة على توصيل أجهزة كمبيوتر كمومية منفصلة، مما يؤدي بشكل فعال إلى إنشاء آلة أكبر وأكثر قوة قادرة على معالجة المشكلات المعقدة التي لم يكن من الممكن حلها في السابق. وقد يؤدي هذا إلى اكتشافات في مجالات مثل الطب وعلم الفلك وعلوم المواد، حيث تعد عمليات المحاكاة والحسابات المعقدة أمرًا بالغ الأهمية.
علاوة على ذلك، يمكن للإنترنت الكمي أن يسهل إنشاء شبكات من التلسكوبات التي تتمتع بدقة طبق واحد يبلغ عرضه مئات الكيلومترات. وهذا من شأنه أن يمكن علماء الفلك من دراسة الكون بتفاصيل غير مسبوقة، وكشف أسرار الكون وربما يؤدي إلى اكتشافات جديدة.
بالإضافة إلى ذلك، من شأن الإنترنت الكمومي أن يفتح آفاقًا جديدة للتجارب العلمية، مما يسمح للباحثين بالتعاون ومشاركة البيانات بطرق لم يكن من الممكن تصورها من قبل. التطبيقات المحتملة واسعة، والإمكانيات غير محدودة بالفعل.
المصادر:
Author: أخبار علمية
سعدنا بزيارتك، جميع مقالات الموقع هي ملك موقع الأكاديمية بوست ولا يحق لأي شخص أو جهة استخدامها دون الإشارة إليها كمصدر. تعمل إدارة الموقع على إدارة عملية كتابة المحتوى العلمي دون تدخل مباشر في أسلوب الكاتب، مما يحمل الكاتب المسؤولية عن مدى دقة وسلامة ما يكتب.
التعليقات :