موجّهات ضوئية نانوية تمهّد لفوتونات مفردة أكثر نقاءً في الشبكات الكمومية

تواجه شبكات الاتصال الكمومي عقبتين مترابطتين: إنتاج فوتونات مفردة عالية النقاء بطريقة قابلة للتوسّع، ثم التحكم في توقيتها وارتباطها بذكريات كمومية بعيدة. وقد تناولت دراستان حديثتان هذين التحديين من زاويتين مختلفتين؛ إذ غيّر فريق من جامعة ميونخ التقنية ومركز ميونخ لعلوم وتكنولوجيا الكم البيئة الضوئية المحيطة بالبواعث، بينما طوّر فريق في تايوان نموذجًا للتنبؤ بارتباطات الفوتونات والذاكرة الكمومية والتحكم فيها.

ميونخ: قمع الضوء الخاطئ بدلًا من تضخيم الضوء المطلوب

دمج باحثو جامعة ميونخ التقنية ومركز ميونخ لعلوم وتكنولوجيا الكم ذرات إربيوم في موجّهات ضوئية بلورية من السيليكون من نوع W1، لا يتجاوز حجمها بضعة ميكرومترات. وتمتلك هذه الموجّهات فجوةً ضوئيةً بلوريةً تقمع كثافة الحالات الضوئية المحلية عند انتقالات الإربيوم غير المرغوبة.

وبذلك، يُمنع جزء من الانبعاث الذي كان سيتسرّب إلى قنوات أخرى، فيتجه بدرجة أكبر إلى الانتقال المطلوب. وتختلف هذه الفكرة عن استخدام تجويف رنان لرفع سرعة اضمحلال قناة واحدة عبر تأثير بورسيل؛ فهي تركز أولًا على تعطيل القنوات المنافسة.

في التجربة الأولية، ارتفعت حصة الانتقال المطلوب من الإشعاع المنبعث من نحو 23% إلى نحو 72%، أي تحسن يقارب ثلاثة أضعاف في نقاء الطيف أو كفاءة توزيع الانبعاث، من دون الحاجة إلى تجويف ذي معامل جودة مرتفع مضبوط بدقة على تردد الباعث.

ما الذي يميز الموجّه البلوري عن التجويف التقليدي؟

• نقاء الفوتون: يمكن لكلتا الطريقتين تحسين نقاء الفوتونات المفيدة، لكن الموجّه البلوري يحقق ذلك عبر قمع قنوات التسرب بدل جعل قناة واحدة تتحلل بسرعة أكبر.
• السرعة والتحكم: قد تقلل تجاويف بورسيل عمر الانبعاث بدرجة كبيرة، ما قد يرفع معدل التكرار، لكنه قد يوسّع طيف الفوتون ويعقّد التوقيت والتحكم، وربما يزيد أخطاء تعدد الفوتونات في البواعث السريعة. أما الموجّه البلوري فيحافظ على عمر الباعث، أو قد يطيله، مقابل تحكم أكثر هدوءًا بدل التسريع القسري.
• النطاق وقابلية الضبط: يعمل التجويف عالي الجودة بقوة ضمن نطاق طيفي ضيق ويتطلب توافقًا دقيقًا بين الباعث والتجويف. في المقابل، يتيح الموجّه ذو الفجوة البلورية الجمع والقمع ضمن نطاق ترددي أوسع، ما يسمح بتمييز باعثات ذات ترددات مختلفة والتحكم في كل منها واختيار ترددات الخرج القابلة للاستخدام ضمن نطاق تشغيل الجهاز.
• قابلية التوسّع: يتيح الحجم المكاني الممتد للنمط الضوئي استخدام تركيزات أقل من ذرات الإربيوم، ويتجنب بعض قيود التجاويف الصغيرة عالية الجودة التي تحد من دمج عدد كبير من البواعث. وذكر الباحثون أنهم تمكّنوا من تمييز عشرات ذرات الإربيوم والتحكم فيها بصورة فردية.

وتنبعث ذرات الإربيوم قرب نطاق الاتصالات الذي تستخدمه الألياف الضوئية منخفضة الفقد. لذلك قد توفر هذه الواجهات بين اللفّ المغزلي والفوتون، إذا طُوّرت أكثر، عددًا كبيرًا من العقد أو القنوات القابلة للتحكم الفردي في وصلات كمومية تعتمد على الألياف. لكن هذا يظل تطبيقًا مستقبليًا، وليس عرضًا لشبكة كمومية بعيدة المدى مكتملة.

تايوان: نموذج موحّد لهندسة الارتباطات في بروتوكول DLCZ

في مسار مكمل، طوّر باحثون من جامعة تشنغ كونغ الوطنية وجامعة تسينغ هوا الوطنية في تايوان نظرية مفتوحة النظام تأخذ انتشار الضوء في الحسبان لمحاكاة مصادر فوتونات رامان وفق بروتوكول دوان-لوكين-سيراك-زولر، المعروف اختصارًا باسم DLCZ.

يجمع الإطار بين معالجة هايزنبرغ-لانجفان للضوضاء الكمومية وديناميكيات الذرات، ومعادلات ماكسويل-شرودنغر لوصف انتشار الحقول الضوئية، مع الاحتفاظ بتأثير نبضة الكتابة في إعادة توزيع الإشغال الذري.

ويتيح النموذج التنبؤ، في الوقت نفسه، بانبعاث فوتونات ستوكس المتغير زمنيًا، وتكوّن الموجة السبينّية الجماعية وتطورها، والشكل الزمني للفوتونات المضادة لستوكس بعد الاسترجاع، إضافة إلى الارتباطات المتبادلة بين النوعين بدلالة الزمن وتحت ظروف واقعية.

وتشير النتيجة المركزية التي أكدتها التجارب إلى أن المصادفات المرتبطة الحقيقية تزداد تقريبًا بصورة خطية مع متوسط عدد إثارات الموجة السبينّية، في حين تنمو المصادفات العرضية بوتيرة أسرع، تقارب التربيعية. لذلك يصبح الارتباط المعياري بين أزواج الفوتونات أقوى عند خفض متوسط إثارة الموجة السبينّية، كما أدت نبضات الكتابة الأقصر إلى تعزيز الارتباطات في الاختبارات المبلغ عنها.

ويمنح ذلك مصممي الشبكات الكمومية طريقة كمية لاختيار مدة نبضات الكتابة والقراءة، وشدتها، وتوقيت الاسترجاع، ونوافذ القياس الزمنية، بهدف زيادة معدل أزواج الفوتونات المفيدة التي تؤكدها إشارة أولية، مع الحد من الخلفية الناتجة عن الإثارات المتعددة والمصادفات العرضية. كما يمكن للتحكم الكلاسيكي في الاسترجاع أن يتيح تمرير الحزمة الموجية المضادة لستوكس أو تقسيمها زمنيًا، ما يساعد على مواءمة الأنماط الزمنية بين الذكريات والعقد البعيدة في الشبكة.

خطوتان نحو شبكات كمومية أكثر قابلية للتوسّع

تمثل نتيجة ميونخ استراتيجية في المواد وواجهة الفوتون، بينما تقدم نتيجة تايوان نظرية للتحكم في مصدر الفوتونات والذاكرة الكمومية. ومعًا، تشير الدراستان إلى إمكانية بناء واجهات متعددة القنوات ومتوافقة مع نطاق الاتصالات، مع هندسة الأنماط الزمنية للفوتونات وارتباطاتها بما يلائم المكررات الكمومية.

ومع ذلك، ينبغي التعامل بحذر مع النتائج التجريبية في دراسة DLCZ، لأنها منشورة بوصفها مسودة بحثية على منصة arXiv، ولم تخضع بعد لمراجعة الأقران المستقلة.