الحوسبة
نقاط الكم الثنائية الفوتونية السلبية تمكّن الفوتونيات الآمنة
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
مهندسو جامعة إنسبروك، جنبًا إلى جنب مع فريق من العلماء من عدة مؤسسات مرموقة، كشفوا عن طريقة جديدة لإنشاء نقاط كم ثنائية الحالة. هذه الإبداعات الفريدة قادرة على تحقيق حالة بيإكسيتون دون عناصر تبديل نشطة (EOMs)، مما يمثل إنجازًا مهمًا للتقنيات الكمومية.
يجمع عمل الفريق سنوات من البحث في البصريات الكمومية، فيزياء أشباه الموصلات، والهندسة الفوتونية ليفتح الباب أمام حواسيب واتصالات كمومية من الجيل التالي. إليكم ما تحتاجون إلى معرفته.
الحوسبة الكمومية الفوتونية
تستفيد الحوسبة الكمومية الفوتونية من الفوتونات الضوئية لتحقيق مستوى جديد في الأداء الحاسوبي. تعمل هذه الأنظمة عن طريق نقل الفوتونات عبر عناصر بصرية مصممة خصيصًا. تمكّن هذه المكونات الجهاز من حساب الخوارزميات بسرعة أكبر بكثير من أساليب الحوسبة الكمومية الأخرى.
ومن الجدير بالذكر أن شركة الفوتونيات Xanadu أعلنت عن Aurora في 22 يناير 2025—نموذج فوتوني معياري ومترابط مبني من أربعة وحدات مركبة على رفوف مرتبطة عبر الألياف (12 كيوبيت مادي، 35 شريحة، ~13 كلم من الألياف). يُظهر مسارًا عمليًا للتوسع، وليس للخطأ المتسامح.
على الرغم من أدائه الأفضل، لا يزال Aurora يواجه العديد من العقبات التقليدية أمام الحوسبة الكمومية، بما في ذلك التكاليف العالية، المتطلبات التقنية، والعتاد المتخصص.
المصدر – University of Innsbruck
لماذا نقاط الكم مثالية كمصادر فوتون واحد
لتجاوز هذه العقبات، بدأ المهندسون في البحث عن نقاط الكم. يمكن لهذه أشباه الموصلات توفير توليد حالات متعددة الفوتونات بشكل حتمي، مما يجعلها اللبنات المثالية للكيوبتات في تطبيقات الحوسبة الكمومية.
ومن الجدير بالذكر أن نقاط الكم هي هياكل نانوية. غالبًا ما تكون أصغر من 10 نانومتر في الحجم، وهو ما يعادل حوالي 1/10,000 من حجم شعر الإنسان. يمكن لهذه الوحدات الدقيقة أن تمتلك خصائص حاسمة مثل القدرة على إصدار فوتون واحد عند الطلب، مما يجعلها مثالية للتطبيقات الكمومية.
لتنشيط نقاط الكم، يستخدم المهندسون طريقة تحفيز بصرية مدفوعة بوحدات تبديل استقطاب نشطة فائقة السرعة. ينتج عن هذا الإجراء حالة متعددة الفوتونات تجعل هذه الوحدات مكونات أساسية لأحدث أجهزة التصوير الطبي، الميكروسكوب، خلايا الشمس من الجيل التالي، الصمامات الضوئية (LEDs)، الليزر، الحواسيب الكمومية، وأكثر.
لماذا يحد تعدد الإرسال النشط باستخدام EOM من قابلية توسيع نقاط الكم
إحدى أكبر المشكلات مع نقاط الكم اليوم هي أن كل نقطة فريدة، تُصدر لونًا مختلفًا قليلًا. وبالتالي، يلزم استخدام وحدات تقنية عالية لضمان توليد متعدد الفوتونات. هذه الأجهزة معقدة ومكلفة. بالإضافة إلى ذلك، تتطلب مهندسين متخصصين لتشغيلها.
عامل محدود آخر هو أداء العتاد لهذه المفاتيح. حتى الآن، تم تقييد جميع المفاتيح بخصائص تصميمها الفيزيائي. تمتلك الأجهزة أقصى سرعات تبديل يمكن أن تتباطأ مع مرور الوقت مع تقدم عمر العتاد. أدت هذه السيناريوهات إلى خسائر أداء غير مرغوبة وعدم كفاءة.
دراسة جديدة: حالات ثنائية الفوتون المزدوجة المتعددة الإرسال السلبية من نقطة كم واحدة
عمل علماء جامعة إنسبروك مع فريق من المهندسين من جميع أنحاء العالم لإكمال دراسة “توليد حالة ثنائية الفوتون المتعددة الإرسال السلبية من نقطة كم”1 التي نُشرت في المجلة العلمية npj Quantum Information هذا الشهر.
تصف الورقة تقنية متعددة الإرسال السلبية لنقاط الكم التي توفر أداءً واستقرارًا محسّنًا مقارنة بسابقتها. يُظهر عملهم طريقة أكثر استقرارًا وقابلية للتوسع وكفاءة لإنتاج نقاط كم عالية الأداء، والتي يمكن أن تشغل تقنيات الغد الأكثر تقدمًا.
التحفيز الثنائي الفوتوني (sTPE): الفكرة الأساسية
في صميم العمل توجد تقنية بصرية تُسمى التحفيز الثنائي الفوتوني. يتيح هذا العملية للباحثين توجيه نقطة الكم بدقة حول كيفية إصدار الضوء ومتى، مما يجعل التحفيز محدودًا فقط بعمر نقطة الكم وليس بأداء العتاد.
كجزء من عملية التحفيز، قام المهندسون بضبط نبضات الليزر بدقة لتوليد تدفقات فوتونية في حالات استقطاب مختلفة. ومن الجدير بالذكر أن هذه الطريقة تُزيل الحاجة إلى عتاد إضافي مثل مكونات التبديل النشط.
ومن الجدير بالذكر أن هذا النهج يخلق التحفيز مباشرةً من نقطة الكم دون الحاجة إلى أي مكونات تبديل نشطة. يجمع النهج الجديد بين تشكيل نبضات الليزر، وتوليد أزواج نبضات مخصصة للاستقطاب، ومجهر منخفض الحرارة لإزالة العديد من العقبات التقنية التي أعاقت محاولات تحفيز نقاط الكم السابقة.
اسحب للتمرير →
| الجانب | التعدد النشط (EOMs) | التعدد السالب sTPE (هذه الدراسة) |
|---|---|---|
| المكونات الرئيسية | المُعدِّلات الكهرو‑بصرية، محركات عالية السرعة | ليزر Ti:Sapphire، مُشكّلان نبضة 4f، PBS، تأخير ألياف، كريستات |
| حد معدل التبديل | سرعة عتاد EOM | عمر الإكسيتون (معدل GHz ممكن) |
| فقدان الفوتون | خسارة إدخال قليلة بالديسيبل شائعة | أقل: تم نقل التعدد إلى مرحلة التحفيز |
| التحكم في الاستقطاب | بعد الانبعاث عبر التبديل | في المصدر (H/V يحددها نبضة التحفيز) |
| التكلفة/التعقيد | عالية (EOMs مخصصة وسريعة) | أقل؛ يتحول التعقيد إلى تشكيل النبضات |
داخل الإعداد: الأطوال الموجية، التأخيرات، والتحكم في الاستقطاب
الخطوة الأولى في العملية هي عزل نقاط الكم. من هناك، يُطبق ليزر Ti:Sapphire فمتوثانية في نبضات عند رنين 780.3 نم. يبدأ مُشكّلان نبضة 4f تشكيل الطيف لنقاط الكم، مما يدفعها إلى حالة بيإكسيتون ويُطلق انبعاثات الفوتون.
كجزء من العملية، يعمل مُقسم الشعاع المستقطب (PBS) بالتوازي مع مولد أزواج النبضات المصمم خصيصًا لإنشاء فوتونات مستقطبة H و V. ومن الجدير بالذكر أن المهندسين استخدموا تأخير ألياف بصري، كواشف، ومقاييس تداخل لضمان تتبع الفروق الزمنية بين الحالات بدقة.
اسحب للتمرير →
| المُعامل | القيمة (مُبلغ عنها) | ملاحظات |
|---|---|---|
| الليزر | Ti:Sapphire، ~782 نم مركز | نبضات فمتوثانية مُشكّلة عبر خطي 4f مزدوجين |
| التحفيز الثنائي الفوتوني (TPE) | 780.3 نم | يقود حالة البيإكسيتون |XX⟩ |
| نبضة التحفيز | 781.3 نم، تصل بعد ~6 فمتوثانية من TPE | تحدد انبعاث H/V في المصدر |
| فصل أزواج النبضات | ~2 ns | نافذة التعدد الزمني |
| درجة الحرارة | ~4 K | مجهر منخفض الحرارة |
| نظام المادة | نقاط كم GaAs/AlGaAs (MBE + حفر قطرات محلية) | حسب الطرق |
النتائج التجريبية: النقاء، HBT، وإخراج الفوتون الثنائي
لاختبار مفهومهم، بدأ الفريق بإنشاء نقاط كم. تصف الورقة كيف تم زراعة عينة من نقاط كم GaAs/AlGaAs باستخدام النمو بالنبضة الجزيئية مع حفر قطرات محلية كجزء أول من مرحلة الاختبار.
من هناك، أجرى المهندسون عدة اختبارات لقياس أداء وجودة نقاط الكم، بما في ذلك تسجيل نقاء الفوتون الواحد لانبعاثات الإكسيتون. تم إجراء هذه الاختبارات باستخدام مقسم ألياف ضوئي وأجهزة مسح حساسة.
قام العلماء بتدوين ملاحظات دقيقة تصف جودة الفوتونين الفرديين المستقطبين عموديًا الذين تم الحصول عليهما. استلزم هذا الخطوة قياس دالة الارتباط من الدرجة الثانية للنقاط.
تُظهر نتائج اختبار نقاط الكم الثنائية الحالة واعدة للتقنية. ضبط الفريق نبضة التحفيز لتصل بعد ~6 فمتوثانية من نبضة TPE وأظهر أن معدل التبديل محدود بعمر الإكسيتون بدلاً من عتاد EOM. أكّد هذا النتائج إيمان المهندسين بأن طريقتهم الجديدة مقيدة فقط بعمر نقطة الكم وليس بقدرات التبديل في العتاد.
لماذا يهم ذلك لتقنية QKD وتداخل الفوتونات المتعددة
هناك العديد من الفوائد التي تجلبها هذه الدراسة إلى السوق. أولاً، تفتح الباب لفهم أعمق للحوسبة الكمومية وقدراتها. قد يساعد هذا الاكتشاف في دفع مزيد من الابتكارات في البصريات الكمومية، فيزياء أشباه الموصلات، والهندسة الفوتونية.
أسرع: تشغيل بمعدل GHz محدود بعمر الإكسيتون
يخلق هذا النهج نقاط كم قابلة للاستخدام أسرع من الأساليب التقليدية التي تتطلب معدات تبديل خاصة لتخصيصها وضبطها بدقة. تُحفّز هذه الاستراتيجية نقاط الكم مباشرةً باستخدام الليزر بدلاً من الإلكترونيات.
أرخص: لا توجد EOMs، خسارة أقل وتعقيد أقل
إزالة معدات التبديل السابقة يقلل أيضًا من التكاليف الإجمالية لإنشاء نقاط الكم. تطوير وتشغيل وصيانة هذه الأجهزة كلها كانت تُضيف إلى التكاليف العامة لأبحاث الحواسيب الكمومية.
التطبيقات (QKD، الحوسبة الكمومية الفوتونية) والجدول الزمني الواقعي
هناك عدة تطبيقات لنقاط كم الحاسوب الكمومي ثنائية الحالة اليوم. تمثل هذه الوحدات قفزة إلى الأمام للتقنيات الكمومية. بجدية، يمكن أن يساعد هذا العملية في دفع الابتكار عبر عدة صناعات وتعزيز تبني هذه التقنية التي تغير قواعد اللعبة.
البحث: تداخل الفوتونات المتعددة وتقييم المصدر
إحدى التطبيقات الرئيسية لهذه الدراسة هي أنها ستدفع الابتكار في قطاع الحوسبة الكمومية إلى الأمام. سيساعد هذا التطور الأخير في تمكين التجارب المستقبلية لتداخل الفوتونات المتعددة، مما يعمق فهم العلماء للمبادئ الأساسية التي تحرك الميكانيكا الكمومية.
الاتصالات الآمنة: QKD متعدد الأطراف والشبكات
تطبيق رئيسي آخر لهذه التقنية هو في قطاع الاتصالات. تعد الاتصالات الكمومية بتوفير أمان عالي، وقدرات نقل بيانات هائلة، وتكاليف أقل. يمكن لهذه الشبكات الاتصالية الفائقة الأمان توفير اتصالات شبه فورية لعدة مصادر في آن واحد.
جدول تبني التقنية: من عروض المختبر إلى تجارب ميدانية
قد يستغرق الأمر حوالي 10 سنوات قبل أن تصل هذه التقنية إلى الجمهور العام. يُنظر إلى الحواسيب الكمومية من قبل الكثيرين كالتطور الطبيعي للحوسبة. ومع ذلك، لا تزال مكلفة جدًا وتتطلب عتادًا مثل غرف منخفضة الحرارة، والتي تظل خارج ميزانية معظم الناس.
باحثو نقاط الكم الثنائية الحالة
استضافت مجموعة الفوتونيات في قسم الفيزياء التجريبية بجامعة إنسبروك دراسة نقاط الكم الثنائية الحالة. كما تُدرج الأبحاث مشاركين من جامعة كامبريدج، جامعة جوزيفس كبلر لينز، ومؤسسات أخرى.
على وجه التحديد، كان فيكاس ريمش الباحث الرئيسي للدراسة. تلقى مساعدة إضافية من غريغور وايس، يوسف كارلي، وإيكر أفيللا أريناس. جاء تمويل الدراسة من الصندوق العلمي النمساوي (FWF)، وكالة تعزيز البحث النمساوية (FFG)، وبرامج البحث التابعة للاتحاد الأوروبي.
ما التالي: نقاط مُهندسة باستقطاب خطي عشوائي
مستقبل نقاط الكم الثنائية الحالة لا يمكن أن يكون أكثر إشراقًا. شهدت هذه التقنية أبحاثًا متسارعة بعد الإطلاق الناجح لحاسوب Aurora هذا العام. الآن، سيسعى هذا الفريق إلى إنشاء نقاط مهندسة عالية الأداء بحالات استقطاب خطي عشوائي.
الاستثمار في الحوسبة الكمومية
هناك عدة رواد في قطاع الحواسيب الكمومية. تستمر هذه الشركات في ضخ ملايين الدولارات في البحث والتطوير، على أمل جعل التقنية أكثر وصولًا وقدرة في المستقبل. إليكم شركة واحدة تستمر في الابتكار بطرق جديدة ومثيرة.
Quantum Computing Inc
شركة Quantum Computing Inc (QUBT ) التي تتخذ من فرجينيا مقراً لها. دخلت السوق في عام 2018 بهدف دفع تقنيات الكم وتبنيها إلى الأمام. وجدت الشركة دعمًا فوريًا من المستثمرين، وفي عام 2021، تم إدراجها في بورصة ناسداك. اليوم، تُعد الشركة مزودًا رائدًا لأجهزة وبرمجيات الحوسبة الكمومية.
QUBT مخطط السعر
تقدم Quantum Computing Inc. حاليًا عدة حلول للحوسبة الكمومية. على سبيل المثال، يمكن لنظام Qatalyst إكمال خوارزميات مالية ولوجستية معقدة، مما يمنح المستخدمين ميزة تنافسية. كما توفر الشركة الوصول إلى حاسوبها الضوئي Reservoir، القادر على حل المعادلات الأكثر تعقيدًا باستخدام فوتونات الضوء.
أحدث أخبار وتطورات سهم Quantum Computing Inc. (QUBT)
خلاصة نقاط الكم الثنائية الحالة
تُبرز دراسة نقاط الكم الثنائية الحالة كيف يمكن للجهد التعاوني بين المؤسسات العلمية الرائدة أن يساعد في حل بعض من أكثر المشكلات تعقيدًا في العالم. من المقرر أن تعيد الحوسبة الكمومية تشكيل المستقبل بطرق عديدة، وقد قام هؤلاء المهندسون بدورهم لضمان وصول هذه الأجهزة إلى مستويات أداء جديدة. لهذه الأسباب والعديد غيرها، يستحق هؤلاء العلماء تحية.
تعرف على إنجازات حوسبة أخرى هنا.
المراجع:
1. Karli, Y., Avila Arenas, I., Schimpf, C. et al. توليد حالة ثنائية الفوتون المتعددة الإرسال السلبية من نقطة كم. npj Quantum Inf 11, 139 (2025). https://doi.org/10.1038/s41534-025-01083-0
