كتب – رامز يوسف:
نجح علماء في تطوير نوع جديد من الكيوبت الجزيئي، يُمكن أن يُساعد في ربط الحواسيب الكمومية عبر تقنيات الاتصالات الحالية، ليمهد الطريق لإنترنت كمي في المستقبل.
يحتوي الكيوبت الجديد على عنصر أرضي نادر يُسمى الإربيوم، يتميز بخصائص بصرية ومغناطيسية تُمكّنه من نقل المعلومات الكمومية باستخدام نفس أطوال الموجات المستخدمة في شبكات الألياف الضوئية.
وأفاد الباحثون في بيانٍ أنه يُمكن دمج الكيوبت بسهولة أكبر في رقائق السيليكون، لأنه يعمل بأطوال موجات الاتصالات. وهذا يُمكن أن يُمهد الطريق لأجهزة كمومية أصغر حجمًا وأكثر إحكامًا.
وحسب النتائج التي نشرت في مجلة “ساينس”، وصف الباحثون هذه التقنية بأنها “ركيزة أساسية جديدة واعدة لتقنيات الكم القابلة للتطوير”، بدءًا من روابط الاتصالات فائقة الأمان وصولًا إلى شبكات الحواسيب الكمومية بعيدة المدى – والتي غالبًا ما تُعرف باسم الإنترنت الكمومي.
وسبق إجراء أبحاث كثيرةٌ لبناء التقنية اللازمة للإنترنت الكمي، بما في ذلك شريحةٌ جديدةٌ صُنعت في سبتمبر الماضي تُساعد على بثّ الإشارات الكمومية عبر كابلات الألياف الضوئية الواقعية. في الدراسة الجديدة، ركّز الباحثون على بناء نوعٍ جديدٍ من البتات الكمومية (كيوبت) يُمكن أن يُساعد في نقل البيانات.
وقال ديفيد أوشالوم، الباحث الرئيسي في الدراسة وأستاذ الهندسة الجزيئية والفيزياء في جامعة شيكاغو، في بيانٍ: “بإظهار تنوع هذه البتات الكمومية الجزيئية الإربيومية، نخطو خطوةً أخرى نحو شبكات كمومية قابلة للتوسّع، يُمكنها الاتصال مباشرةً بالبنية التحتية البصرية الحالية”.
نوع جديد من البتات الكمومية
البتات الكمومية هي أبسط أشكال المعلومات الكمومية، وتُمثّل المُعادل الكمومي للبتات في الحوسبة الكلاسيكية.
لكن، بينما تُحوسب البتات الكلاسيكية بنظامي 1 و0 الثنائيين، تتصرف البتات الكمومية وفقًا لقواعد فيزياء الكم الغريبة، ما يسمح لها بالتواجد في حالات متعددة في آنٍ واحد – وهي خاصية تُعرف بالتراكب. وبالتالي، يمكن أن يكون زوج البتات الكمومية 0-0، 0-1، 1-0، و1-1 في آنٍ واحد.
تأتي البتات الكمومية عادةً في 3 أشكال: البتات الكمومية فائقة التوصيل، المصنوعة من دوائر كهربائية دقيقة؛ والبِتات الكمومية الأيونية المحاصرة، التي تخزن المعلومات في ذرات مشحونة مثبتة في مكانها بواسطة مجالات كهرومغناطيسية؛ والبِتات الكمومية الفوتونية، التي تُشفّر الحالات الكمومية في جسيمات الضوء.
تستخدم البتات الكمومية الجزيئية جزيئات فردية، غالبًا ما تُبنى حول معادن أرضية نادرة، حيث يُحدد دوران الإلكترون حالتها الكمومية. يُعطي هذا الدوران الإلكترون مجالًا مغناطيسيًا صغيرًا، يُحدد اتجاهه قيمة البت الكمومي. مثل البت العادي، يُمكن أن يُمثل 1 أو 0، ولكنه يُمكن أيضًا أن يكون تراكبًا لكلا الحالتين.
ما يُميز كيوبت الإربيوم الجديد أنه يتصرف كأنه كيوبت مغزلي وكيوبت فوتوني في آنٍ واحد؛ إذ يُمكنه تخزين المعلومات مغناطيسيًا مع قراءتها باستخدام الإشارات الضوئية.
قالت ليا فايس، المؤلفة الرئيسية المشاركة في البحث وباحثة ما بعد الدكتوراه في كلية بريتزكر للهندسة الجزيئية بجامعة شيكاغو: “يمكن لهذه الجزيئات أن تعمل كجسر نانوي بين عالم المغناطيسية وعالم البصريات، ويمكن تشفير المعلومات في الحالة المغناطيسية للجزيء ثم الوصول إليها باستخدام الضوء عند الأطوال الموجية المتوافقة مع التقنيات المتطورة التي تقوم عليها شبكات الألياف الضوئية والدوائر الفوتونية السيليكونية”.
بيانات كمية بعيدة المدى
يوفر العمل بأطوال موجية للاتصالات ميزتين رئيسيتين، الأولى أن الإشارات يمكن أن تنتقل لمسافات طويلة بأقل قدر من الفقد، وهو أمر حيوي لنقل البيانات الكمية عبر شبكات الألياف.
الثانية، أن الضوء عند أطوال موجات الألياف الضوئية يمر بسهولة عبر السيليكون. وإلا، فسيتم امتصاص أي بيانات مُرمّزة في الإشارة الضوئية وضياعها. وصرح الباحثون بأن البت الكمومي القائم على الإربيوم مثالي للأجهزة القائمة على الرقائق، نظرًا لقدرة الإشارة الضوئية على المرور عبر السيليكون إلى الكواشف أو المكونات الفوتونية الأخرى المُدمجة تحته.
قال أوشالوم: “توفر أطوال موجات الاتصالات أقل معدل فقد للضوء الذي ينتقل عبر الألياف الضوئية. وهذا أمر بالغ الأهمية إذا كنت ترغب في إرسال معلومات مُرمّزة في فوتون واحد (جسيم ضوئي واحد) خارج المختبر بشكل موثوق”.
وأوضح أن الحجم ميزة أخرى. فكل بت كمومي مصنوع من جزيء واحد أصغر بحوالي 100 ألف مرة من شعرة الإنسان. وبفضل إمكانية ضبط بنيتها عبر الكيمياء التركيبية، يُمكن دمج الكيوبتات الجزيئية في بيئات لا يُمكن لغيرها دمجها – بما في ذلك أجهزة الحالة الصلبة أو حتى داخل الخلايا الحية.
يمكن أن يُساعد هذا المستوى من التحكم في معالجة أحد أكبر التحديات الهندسية للحوسبة الكمومية: بناء التوافق الكمي مباشرةً في التقنيات الحالية.
المصدر: livescience
اقرأ أيضا:
