تأثيرات ميكانيكا الكم، بما في ذلك تشابك جسيمين (وهي ظاهرة يتم فيها فصل الحالات
أعلنت مجموعتان مستقلتان من الباحثينإنشاء مصادر للفوتونات المفردة اللازمة لنقل البيانات في الشبكة الكمومية. استخدم باحثون ألمان من معهد ماكس بلانك للبصريات الكمومية والجامعة التقنية في ميونيخ ذرات الإربيوم المدمجة في بلورة السيليكون، والتي تنتج ضوءًا بتردد يتوافق مع شبكات الاتصالات الحديثة.
ومهندسون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجياويستخدم المعهد بلورات البيروفسكايت النانوية، التي يسهل توسيع نطاق إنتاجها. ومع ذلك، فهي لا تتطلب تبريدًا شديدًا ويمكن أن تعمل في درجة حرارة الغرفة.
ما هي شبكة الكم؟
يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية أن تؤدي نظريًاالمهام التي لا يمكن حلها حتى على أقوى أجهزة الكمبيوتر العملاقة في العالم. يمكن استخدامها لنمذجة خصائص المواد والأنظمة المعقدة. ولكن لتحقيق نتائج ذات مغزى حقًا ، نحتاج إلى طريقة فعالة لربط عقد المعلومات الكمية - المعالجات الكمية الموزعة.
لأن أجهزة الكمبيوتر الكمومية هي في الأساستختلف عن الأساليب التقليدية، فالطرق المعتادة المستخدمة لنقل المعلومات لا تنطبق عليها بشكل مباشر. تعتبر المعلومات الكمومية أكثر تعقيدًا: فبدلاً من تخزين القيمة 0 أو 1 فقط، كما هو الحال في أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية، يمكن للكيوبت أن يأخذ القيمتين 0 و1 في وقت واحد (وهي ظاهرة تُعرف باسم التراكب).
الحل المثالي هو الشبكة الكمومية -مركب يتم فيه تبادل مباشر لمعلومات كيوبت مع الحفاظ على خصائص ميكانيكا الكم. تربط الشبكة الكمومية عقد المعالجة بالفوتونات التي تمر عبر ترابطات خاصة تُعرف باسم أدلة الموجة.
ميزة هذا الاتصال هي أنتتواصل الأجهزة الكمومية بشكل مباشر ، مما يتيح معالجة البيانات بشكل أسرع. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام هذه الشبكات لنقل البيانات بشكل آمن: بمجرد أن يحاول المهاجم اعتراض المعلومات "المشفرة" في الفوتونات ، ستفقد الخصائص الكمومية للجسيمات ، وستصبح البيانات غير قابلة للاستخدام.
ذرات الإربيوم في بلورة السيليكون
مرنان كمي يعتمد على بلورة السيليكون. الصورة: MCQST
طور المهندسون الألمان بصريًامرنان للشبكات الكمومية يعتمد على بلورة سليكونية مخدرة بذرات الإربيوم. يتبع التطور دراسة سابقة أجرتها نفس المجموعة حول دمج ذرات الأرض النادرة الفردية في السيليكون البلوري باستخدام درجة حرارة منخفضة نسبيًا (حوالي 500 درجة مئوية) لضمان عدم تجمع أعداد كبيرة من ذرات الإربيوم معًا في شبكة السيليكون.
في دراسة جديدة نتائجهالمنشور في مجلة Optica ، أظهر الباحثون أنه باستخدام مثل هذه البلورات ، من الممكن توليد فوتونات مفردة بالخصائص المرغوبة. لاحظ مؤلفو الدراسة أن ذرات الإربيوم الموضوعة في بلورة السيليكون لها خصائص بصرية ممتازة. ينبعث منها ضوء بطول موجي 1536 نانومتر. هذا مطابق تقريبًا للضوء المستخدم لنقل البيانات في شبكات الألياف البصرية الكلاسيكية.
طور المهندسون مرنانًا مخدرًاالإربيوم ، والذي يختلف عن التصميمات التقليدية من حيث أنه لا يحتوي على مرايا. بدلاً من ذلك ، يتم استخدام نمط منتظم من الثقوب بحجم النانومتر في السيليكون البلوري. هذا يعني أن طول الرنان بأكمله لا يتجاوز بضعة ميكرونات ولا يحتوي إلا على بضع عشرات من ذرات الإربيوم. من خلال توصيل مرنان بألياف ضوئية وإثارة الذرات بالليزر ، أظهر الباحثون أنه يمكن إصدار الفوتونات الفردية ذات الخصائص المرغوبة.
ويشير الباحثون إلى فائدتين رئيسيتين،ويقولون إن هذا يجعل السيليكون المغطى بالإربيوم "مرشحًا مثاليًا لبناء الشبكات الكمومية". أولاً، يعتمد على مادة كلاسيكية تستخدم على نطاق واسع في إنتاج أشباه الموصلات، مما يعني أن إنشاء المكونات الضرورية على نطاق واسع لن يتطلب إنشاء مرافق إنتاج معقدة جديدة.
وثانيًا ، يعمل النظام نسبيًادرجة حرارة عالية (لتقنيات الكم) - حوالي 8 كلفن (-265 درجة مئوية). على عكس الأنظمة التي تعمل بالقرب من الصفر المطلق ، يسهل إنشاء مثل هذه الظروف عن طريق التبريد في ناظم الهيليوم السائل.
بيروفسكايت كمصادر فوتون واحدة
بلورات البيروفسكايت النانوية. الصورة: MIT
يقترح باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بديلاًالمادة المستخدمة في إنشاء شبكات الكم هي البيروفسكايت. لقد أثبتت هذه المادة نفسها بالفعل على نطاق واسع كبديل محتمل للسيليكون في الخلايا الشمسية. في دراسة نُشرت في مجلة Nature Photonics ، أظهر المهندسون أن بإمكانهم أيضًا توليد تيار من الفوتونات المتطابقة.
لدراستهم ، استخدم علماء الفيزياءالجسيمات النانوية من الرصاص الهاليت بيروفسكايت. تستخدم الخلايا الكهروضوئية أغشية رقيقة من هذه المادة ، وفي شكل جسيمات نانوية ، لديها معدل عالٍ بشكل لا يصدق من الإشعاع المبرد ، مما يميزها عن غيرها من الجسيمات النانوية شبه الموصلة الغروية. كلما انبعث الضوء بشكل أسرع ، زاد احتمال أن يكون لإشارة الخرج دالة موجية محددة جيدًا ، وهو أمر ضروري للشبكات الكمية.
للتأكد من أنها الفوتوناتتوليد حقا الخصائص المطلوبة ، أجرى الباحثون اختبار قياسي. تتمثل في اكتشاف نوع خاص من التداخل بين فوتونين ، تأثير هونغ وو مانديلا. أكدت نتائج التجربة أن المصدر يصدر ضوءًا كميًا.
لاحظ الباحثون أنه حتى الآن لم يتم التثبيتمثالي ويعمل مع التداخل، لكنهم واثقون من أنه يمكن التغلب على ذلك عن طريق وضع البيروفسكايت في تجويف بصري - وهو تأثير يعمل مع مواد أخرى.
في الوقت نفسه ، لاحظ الباحثون الميزةالتكنولوجيا في سهولة الإنتاج. "السبب وراء تماسك المصادر الأخرى هو أنها مصنوعة من أنقى المواد الواحدة تلو الأخرى ، ذرة تلو الأخرى. يقول ألكسندر كابلان ، المؤلف المشارك للدراسة: في المقابل ، تصنع جسيمات البيروفسكايت النانوية في محلول ويتم تطبيقها ببساطة على مادة الركيزة. بالإضافة إلى ذلك ، تعمل هذه المصادر في درجة حرارة الغرفة ولا تتطلب التبريد.
كلا التقنيات المقترحة ليست بعدحل جاهز لبناء شبكات الكم. لكن هذه خطوة في الاتجاه الصحيح. حقيقة أن مجموعات مختلفة من الباحثين في جميع أنحاء العالم يطورون تقنيات بديلة ويحاولون إيجاد حل رخيص نسبيًا وسهل التوسع يشير إلى أن الشبكات الكمية قد تصبح حقيقة واقعة قريبًا.
قراءة المزيد:
فاجأ علماء الفلك جسم غريب أسخن من الشمس
تم العثور على قطعة أثرية تشبه القضيب في منغوليا: عمرها حوالي 42000 سنة
تم العثور على أطول شجرة في آسيا: اعرض كيف تبدو
صورة الغلاف: C. Hohmann، MCQST