رقم قياسي جديد في التشابك الكمي: فيزيائيون صينيون يُشابكون ذاكرة كمومية عبر 420 كيلومترًا من الألياف الضوئية

نُشرت النتائج في مجلة Physical Review Letters كاقتراح من المحررين (Editors' Suggestion) ، وتُمثل خطوة ملموسة من شبكات كمومية على نطاق المدن الكبرى نحو روابط فعلية بين المدن.

كيف عملت التجربة

صُمم النظام حول عقدتين للذاكرة الكمومية، أُطلِق عليهما اسمي أليس وبوب، مع عقدة قياس مركزية (تشارلي) بينهما . كانت كل عقدة ذاكرة عبارة عن سحابة من ذرات الروبيديوم-87 يتم تبريدها واحتجازها بواسطة أشعة الليزر. لإنشاء التشابك، استخدم الفريق بروتوكولًا معروفًا باسم Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ) . في هذا النهج، تُصدر كل ذاكرة بشكل احتمالي فوتونًا واحدًا. كشف هذا الفوتون في العقدة المركزية يشير إلى أن الذاكِرتَين أصبحتا متشابكتَين.

للتغلب على تحديات الوصول إلى 420 كيلومترًا، عالج الفريق ثلاث عقبات رئيسية:

تحويل الطول الموجي. تبعث ذاكرة الروبيديوم بشكل طبيعي فوتونات عند حوالي 780 نانومتر (في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة). هذه الفوتونات تُمتص بسرعة عند انتقالها عبر الألياف لمسافات طويلة. لذا، قام الفريق بتحويل كل فوتون إلى نطاق الاتصالات (حوالي 1550 نانومتر) — وهو نفس الطول الموجي المستخدم في اتصالات الألياف الضوئية القياسية — مما سمح للإشارة بالسفر لمئات الكيلومترات دون أن تُمتص .

التثبيت النشط. على امتداد 420 كيلومترًا من الألياف، يمكن لتغيرات درجة الحرارة والاهتزازات والعوامل الميكانيكية الأخرى أن تدمر العلاقة الطورية اللازمة لتداخل الفوتون الواحد. نشر الفريق نظام تثبيت يعوض باستمرار عن هذه التقلبات، مما حافظ على التماسك عبر الوصلة بأكملها .

تداخل الفوتون الواحد. القياس الأساسي الذي يخلق التشابك يحدث في العقدة المركزية، حيث تتداخل الفوتونات القادمة من أليس وبوب. تحقيق تداخل مستقر مع فوتونات مفردة عبر هذه المسافة الطويلة كان تحديًا تقنيًا كبيرًا نجح الفريق في حله .

تجاوز حد PLOB

لعل النتيجة الأكثر أهمية هي أن التجربة تجاوزت حد PLOB — وهو الحد الأقصى النظري لمعدل توزيع التشابك عبر قناة عالية الفقد دون وجود مكررات كمومية . احتمال التشابك بين الذاكِرتَين المُقاستَين تجاوز هذا الحد على مسافات تبدأ من حوالي 230 كيلومترًا، واستمرت الميزة في النمو مع زيادة طول الألياف وصولًا إلى 420 كيلومترًا . كما أشار أحد التقارير، هذا هو أول عرض قائم على الذاكرة يتجاوز ذلك السقف النظري .

أظهر الفريق أيضًا أن نظامهم المعزز بالذاكرة يتفوق على توزيع التشابك المباشر عبر الألياف بعد حوالي 320 كيلومترًا . يحدث هذا لأن النهج القائم على الذاكرة يتوسع مع الجذر التربيعي لنفاذية القناة، بينما يتوسع النقل المباشر خطيًا مع النفاذية — وهو فرق جوهري يعطي الذاكرة التفوق في المسافات الطويلة .

لماذا هو مهم للإنترنت الكمومي

ينقل المقياس من المدن الكبرى إلى بين المدن. كانت الأرقام القياسية السابقة للتشابك المادي-المادي عبر الألياف في نطاق 50–100 كيلومتر، وهو ما يغطي منطقة مدينة كبرى . عند 420 كيلومترًا، تدخل التجربة في نطاق المسافات التي تربط المدن. وكما يكتب المؤلفون: "تجربتنا توفر ميدانًا تجريبيًا لدراسة تطبيقات الشبكات الكمومية خارج نطاق مدينة واحدة" .

يُثبت صحة الشبكات الكمومية المعززة بالذاكرة. النتيجة تُثبت أن الذاكرة الكمومية يمكنها تخزين والإعلان عن التشابك عبر أطوال عملية من الألياف مع تجاوز الحد اللامكرّر . هذا شرط ضروري لبناء مكررات كمومية قابلة للتطوير، وفي النهاية، إنترنت كمومي كامل .

يتوافق مع البنية التحتية الحالية للاتصالات. المكونات الرئيسية — تحويل الطول الموجي إلى نطاق الاتصالات، التثبيت النشط للألياف، والذاكرة الذرية الباردة — جميعها متوافقة مع معدات الألياف الضوئية القياسية . هذا يشير إلى مسار تطوير واقعي من شبكات توزيع المفاتيح الكمومية (QKD) الحالية إلى إنترنت كمومي مستقبلي مع توزيع التشابك لمسافات طويلة بمساعدة الذاكرة.

تحفظات رئيسية

على الرغم من أن الإنجاز التقني حقيقي، من المهم ملاحظة أن هذا كان عرضًا مخبريًا. استخدمت التجربة أليافًا ملفوفة في بيئة خاضعة للسيطرة، وليس وصلة مثبتة ميدانيًا . تضمنت الألياف جزءًا ميدانيًا قصيرًا يمتد من مختبر الجامعة إلى عقدة قياس في منتزه خفي للبرمجيات (Hefei Software Park)، لكن معظم المسافة كانت على بكرات . سيتطلب النشر في العالم الحقيقي حل تحديات هندسية إضافية، بما في ذلك استقرار الألياف المثبتة ميدانيًا، والتكامل مع أجهزة التبديل والتوجيه، وتوسيع النطاق ليشمل عُقدًا مترابطة متعددة .