لعقود من الزمن، تطلب ربط البتات الكمومية المتباعدة قياسات نشطة ومستمرة، وهي عملية هشة شكلت عنق زجاجة أمام تطوير حواسيب كمومية واسعة النطاق. والآن، تمكن علماء الفيزياء في معهد العلوم والتكنولوجيا في النمسا (ISTA) من تجاوز هذه العقبة عبر ابتكار حمام كمومي (Quantum Bath) يضع عملية التشابك الموزع على وضع الطيار الآلي. يقدم هذا الإنجاز، الذي نُشر في مجلة Physical Review X، أساساً مستقلاً بالكامل لاستقرار البتات الكمومية، مما يوفر مساراً حيوياً جديداً للمهندسين الذين يبنون شبكات الكم المستقبلية.
يسمح التشابك الكمومي للجسيمات بمشاركة ارتباطات تتحدى قوانين الفيزياء الكلاسيكية، ويُعد توزيع هذه الحالة عبر بتات كمومية منفصلة فيزيائياً أمراً بالغ الأهمية لتوسيع نطاق الأجهزة الكمومية. تاريخياً، اعتمد الباحثون على استراتيجيتين: إرسال فوتون واحد يتم التحكم فيه بنشاط بين البتات، أو جعل كل بت يصدر فوتوناً ثم تتم مطابقتهما. ورغم أن النهج الثاني حصد جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2022، إلا أنه لا يزال يعتمد بشكل كبير على القياسات المتكررة والاختيار اللاحق، مما يعني أن العملية تفشل غالباً في إنتاج اتصال مستقر.
وللتغلب على هذه العقبات، طوّر طالب الدكتوراه أليخاندرو أندريس-خوانيس والبروفيسور يوهانس فينك نموذجاً أولياً يستخدم مصدراً مشتركاً لجسيمات الضوء المترابطة لمزامنة البتات الكمومية المتباعدة تلقائياً. يثبت هذا التحقيق التجريبي صحة تنبؤ نظري تم اقتراحه منذ أكثر من 20 عاماً. ومن خلال استخدام فوتونات الميكروويف (Microwave Photons) - وهي جسيمات ضوئية منخفضة الطاقة تُعد أساسية بالفعل في تقنية البتات الكمومية فائقة التوصيل - نجح الفريق في سد الفجوة بين التشابك ذي المتغير المستمر (Continuous-variable) الذي يسهل إنتاجه، والأشكال ذات المتغير المنفصل (Discrete-variable) المطلوبة للتطبيقات الكمومية العملية.
تسخير البيئة المحيطة لتحقيق الاستقرار
يُعد الحفاظ على التماسك الكمومي (Quantum Coherence) أمراً بالغ الصعوبة لأن الضوضاء البيئية تدمر عادةً الحالات الكمومية الحساسة. لكن باحثي معهد ISTA قلبوا هذا المفهوم رأساً على عقب من خلال جعل البيئة المحيطة مسؤولة عن توليد التشابك والحفاظ عليه.
في طريقتنا، يُعد الحمام الكمومي - أي البيئة المحيطة بالبتات الكمومية - هو مصدر التشابك. فهو يخلق حالة أرضية جديدة من خلال تدفق مستمر للفوتونات المترابطة.
- يوهانس فينك، معهد ISTA
ونظراً لأن هذه الحالة المتشابكة تستقر بشكل مستمر، فإنها تظل متاحة كمورد لفترة تتجاوز العمر الافتراضي الطبيعي للبتات الكمومية. وللتحقق من أن البتات المعزولة كانت متزامنة حقاً، استخدم الفريق تقنية التصوير المقطعي الكمومي (Quantum Tomography). تعيد هذه التقنية بناء سلوك النظام من خلال أخذ قياسات سريعة تستغرق من 20 إلى 80 نانوثانية فقط. وكما أشار أندريس-خوانيس، فإن قياس البتات يجبر حالة التراكب الكمومي (Superposition) الخاصة بها على الانهيار إلى حالة 0 أو 1 نهائية، مما يسمح للباحثين برسم خريطة دقيقة للآليات الكمومية الأساسية.
التحول من التحكم النشط إلى التصميم البيئي
رغم أن النموذج الأولي في معهد ISTA يثبت بنجاح نظرية عمرها عقدين من الزمن، إلا أنه ينقل حالياً حوالي 10% فقط من التشابك المتاح في الحمام الكمومي. تُعد هذه الكفاءة أقل من الطرق التقليدية التي تعتمد على التحكم النشط، لكن القفزة المفاهيمية هنا أكثر أهمية بكثير من العائد الأولي. فمن خلال تحويل عبء التشابك من نبضات الليزر النشطة والدقيقة إلى الحمام المحيط نفسه، يتعامل الباحثون مع البيئة كمورد للاستقرار بدلاً من كونها مصدراً لفقدان التماسك.
إذا أمكن توسيع نطاق هذه المزامنة المستقلة لربط بتات كمومية متباعدة متعددة بكفاءة أعلى، فقد يقلل ذلك بشكل كبير من الأعباء الهائلة لتصحيح الأخطاء المطلوبة حالياً في الشبكات الكمومية الموزعة. لقد استغرق تحقيق النظرية الأصلية 20 عاماً لأنها اعتمدت على ظروف مثالية يصعب تكرارها في المختبر. والآن، بعد تحديد العوامل الفيزيائية التي منعت بناء حمام كمومي وظيفي والتغلب عليها، يمكن لهذه البنية أن تغير جذرياً كيفية تصميمنا لمعالجات كمومية متسامحة مع الأخطاء، مما يمهد الطريق لعقد شبكة إنترنت كمومية قوية ومستدامة ذاتياً.
