نيويورك تعلن اجتياز الإنترنت الكمي أولى اختبارته بنجاح!

مؤخرًا، نجح الفريق في شركة (Qunnect) في تشغيل شبكة كمومية تحت شوارع مدينة نيويورك. حيث نقلت الفوتونات المتشابكة لمسافة تزيد عن 34 كيلومترًا من كابلات الألياف لمدة 15 يومًا متواصلًا، محققة وقت تشغيل يصل إلى 99.84%. يعد هذا إنجازًا حاسمًا في اجتياز الإنترنت الكمي أولى اختباراته، والتي يمكن أن تحدث ثورة في طريقة تواصلنا في المستقبل. وقد تم نشر الطريقة والنتائج في (PRX Quantum)

ولكن ما هو التشابك الكمي (Quantum entanglement). بعبارات بسيطة، التشابك هو ظاهرة يصبح فيها جسيمان أو أكثر متصلين بطريقة تجعل خصائصهما مترابطة، بغض النظر عن المسافة بينهما. وهذا يعني أنه إذا حدث شيء ما لجسيم واحد، فإنه يؤثر على الفور على الآخر، بغض النظر عما إذا كانا متصلين بمسافة قصيرة أو مفصولتين بمساحة هائلة.

في حالة الشبكات الكمومية، يعد التشابك هو المفتاح لتأمين الاتصالات. ومن خلال توليد فوتونات متشابكة، يمكن للعلماء تشفير الرسائل السرية على هذه الجسيمات، مما يضمن اكتشاف أي محاولة للتنصت أو اعتراض الرسالة. وذلك لأن أي قياس يتم إجراؤه على أحد الجسيمات سيؤثر على الفور على حالة الجسيم الآخر، مما يجعل من المستحيل على طرف غير مصرح له الوصول إلى المعلومات.

في بضع كلمات فقط، يمكن تلخيص إنجاز فريق (Qunnect). لقد نجحوا في تشغيل دارة بطول 34 كيلومترًا، يشار إليها باسم حلقة (GothamQ)، وأظهروا القدرة على الحفاظ على التشابك الكمي على هذه المسافة لفترة طويلة.

الأبحاث حول التشابك الكمي

نشأ مفهوم الفوتون الحديث خلال العقدين الأولين من القرن العشرين مع عمل ألبرت أينشتاين، الذي بنى على أبحاث ماكس بلانك. والفوتونات هي جسيمات الضوء التي لها خصائص تشبه الموجة وخصائص تشبه الجسيمات. أحدثت هذه الفكرة ثورة في فهمنا للعالم الكمي ومهدت الطريق لاكتشاف التشابك. وبعد عقود، في ستينيات وسبعينيات القرن الماضي، اقترح الفيزيائيان دانييل جرينلاند وجون بيل بشكل مستقل مفهوم الجسيمات المتشابكة، والذي سخر منه أينشتاين في البداية ووصفه بأنه “فعل شبحي عن بعد”.

في التسعينيات، اكتسبت ظاهرة التشابك اعترافًا واسع النطاق، خاصة مع عمل الفيزيائي أنطون زيلينجر وفريقه في جامعة فيينا. لقد أظهروا أنه يمكن استخدام الجسيمات المتشابكة لإنشاء تشفير كمي، وهي طريقة آمنة لتشفير الرسائل.

استمر مفهوم التشابك في التطور، مع تطور النقل الآني الكمي (عملية تُنقَل بها معلومات كمية من موقع إلى آخر باستخدام وسائط اتصال تقليدية باسلوب التشابك الكمي) (Quantum teleportation)، والترميز فائق الكثافة (بروتوكول اتصال كمي لتوصيل عدد من البتات الكلاسيكية من المعلومات عن طريق إرسال عدد أقل فقط من الكيوبتات)، والحوسبة الكمومية. اليوم، يعد التشابك مكونًا رئيسيًا للعديد من التقنيات الكمومية، بدءًا من التشفير الكمي والانتقال الآني إلى الحوسبة والاستشعار.

ومع ذلك، فإن هشاشة التشابك الكمي في كابلات الألياف كانت منذ فترة طويلة عقبة رئيسية أمام إنشاء شبكات كمومية عملية. حيث يمكن للاضطرابات الناجمة عن الاهتزازات والانحناء والتقلبات في الضغط ودرجة الحرارة أن تعطل التوازن الدقيق للجسيمات المتشابكة، مما يجعلها عديمة الفائدة للاتصالات.

التغلب على انجراف الاستقطاب

انجراف الاستقطاب (polarization drift) هو نوع من الضوضاء التي تتسلل عندما تنتقل الفوتونات عبر كابلات الألياف، مما يتسبب في تغيير استقطابها (اتجاه مجالها الكهربائي). يمكن أن يحدث هذا بسبب الاهتزازات والانحناء والتقلبات في الضغط ودرجة الحرارة داخل الكابل. إن الأمر أشبه بمحاولة إرسال رسالة عبر طريق متعرج، حيث يتم تشويه الرسالة وضياعها.

ولمعالجة هذه المشكلة، صمم فريق (Qunnect) حلاً فريدًا. لقد قاموا ببناء أجهزة تعويض الاستقطاب الآلي (APC) التي يمكنها تصحيح انحراف الاستقطاب إلكترونيًا في الوقت الفعلي. تستخدم هذه الأجهزة فوتونات كلاسيكية ذات استقطابات معروفة لقياس درجة انجراف الاستقطاب، ومن ثم ضبط الفوتونات المتشابكة وفقًا لذلك.

أظهر الفريق فعالية أجهزة (APC) الخاصة بهم عن طريق إرسال فوتونات كلاسيكية ذات استقطابات معروفة عبر نفس دائرة الألياف المستخدمة للفوتونات المتشابكة. ومن خلال قياس درجة انجراف الاستقطاب على مسافات إرسال مختلفة، تمكنوا من تصحيح هذه التشوهات والحفاظ على التشابك على مسافات طويلة.

تجربة حلقة (GothamQ)

في تجربة حلقة (GothamQ)، أنشأ الباحثون دارة إلكترونية ليفية بطول 34 كيلومترًا تحاكي شبكة كمومية في العالم الحقيقي. واستخدموا الفوتونات المتشابكة بالاستقطاب، والتي تشبه المرشحات الخاصة التي تسمح لهم بإنشاء اتصال بين جسيمين. تم بعد ذلك إرسال هذه الجسيمات عبر الألياف بمعدل 20000 في الثانية، مع وقت تشغيل يصل إلى 99.84% ودقة تعويض تبلغ 99%.

ولكن ما يجعل هذه التجربة رائعة حقًا هو مدتها. وقام الفريق بتشغيل الحلقة لمدة 15 يومًا متواصلًا، محققًا مستوى غير مسبوق من الاستقرار والدقة. وهذا ليس بالأمر الهين، نظراً لهشاشة التشابك والتحديات التي تصاحب الحفاظ عليها على مسافات طويلة.

تم استخدام الفوتونات المتشابكة بالاستقطاب في السنوات الأخيرة لبناء مكررات كمومية (quantum repeater) واسعة النطاق، والحوسبة الكمية الموزعة، وشبكات الاستشعار الكمية الموزعة. والآن، مهدت تجربة كونيكت الطريق لشبكة تشابك عملية ومؤتمتة يمكن أن تحدث ثورة في طريقة تواصلنا.

• شرح مبسط لجائزة نوبل في الفيزياء 2022 وسبب الفوز بها
• دراسة تظهر أن الفوتونات من بواعث النقاط الكمومية تكسر مبرهنة بيل
• بطانات الضوء قد تعطينا حواسيب كمومية أفضل
• اكتشاف وجود نطاقات إلكترونية مسطحة في مستوى فيرمي
• ما هو الوعي الكمي ؟

مستقبل الإنترنت الكمي

بعد اجتياز الإنترنت الكمي أولى اختباراته، تتمثل الخطوة التالية للفريق في تحسين التكنولوجيا الخاصة بهم للاستخدام على نطاق واسع، مما يجعلها أكثر إحكامًا وكفاءة وفعالية من حيث التكلفة. إنهم يخططون لتحقيق ذلك من خلال الاستفادة من التقدم في علوم المواد وتكنولوجيا النانو لتطوير مكونات أصغر وأكثر موثوقية. وسيمكن ذلك من إنشاء أنظمة معيارية قابلة للتطوير يمكن دمجها بسهولة في البنية التحتية الحالية.

كما سيكون مجال التركيز الآخر هو تطوير واجهات سهلة الاستخدام تعمل على تبسيط عملية إنشاء وإدارة الشبكات الكمومية. وسيتضمن ذلك التعاون مع شركاء الصناعة لتصميم حلول برمجية وأجهزة بديهية يمكن لأي شخص استخدامها، بغض النظر عن خبرته الفنية.

وتتضمن خارطة طريق (Qunnect) أيضًا خططًا للتعاون مع باحثين من مؤسسات وصناعات أخرى لدفع حدود تكنولوجيا الكم إلى أبعد من ذلك. ومن خلال تجميع خبراتهم ومواردهم، يهدفون إلى تسريع التقدم ودفع الابتكار في هذا المجال المثير.

المصادر

Test of a prototype quantum internet runs under New York City for half a month | phys.org

Automated Distribution of Polarization-Entangled Photons Using Deployed New York City Fibers | PRX Quantum