النقل الكمومي – حقيقة أم خيال؟

استخدام الألياف الضوئية للنقل الكمومي

تعتمد الاتصالات الرقمية العالمية على النقل السريع والفعال للبيانات بسرعة الضوء عبر شبكة معقدة من الألياف الضوئية. وهذا مناسب للحوسبة التقليدية التي تستخدم سلاسل ثنائية من الصفر والواحد.

ومع ذلك، مع اقتراب الحوسبة الكمومية من أن تصبح أداة شائعة للتشفير والبحث العلمي وتطبيقات أخرى، يبرز سؤال كيفية نقل البيانات الكمومية من حاسوب كمومي إلى آخر.

لفترة طويلة، كان يُعتقد أن ذلك شبه مستحيل. كان كل حاسوب كمومي محكومًا بالعمل بمعزل عن الآخرين، مما يقلل من إمكاناته.

هذا يصبح الآن مشكلة مهمة يجب حلها لصناعة التكنولوجيا، خاصةً مع تصاميم جديدة قابلة للتوسع للرقائق الكمومية تم الكشف عنها للتو.

لذلك، اكتشف الباحثون في جامعة نورثويسترن وشركة Ciena وشركة NuCrypt LLC خطوة مهمة: يمكن الحفاظ على الحالة الكمومية ونقلها في الألياف الضوئية إلى جانب تدفق بيانات “عادي”.

ونشروا نتائجهم في مجلة Optica في دراسة بعنوان «النقل الكمومي المتزامن مع الاتصالات الكلاسيكية في الألياف الضوئية¹».

النقل الكمومي

رغم أن النقل الكمومي قد يبدو فكرة خيالية من أفلام الخيال العلمي، فإنه ظاهرة حقيقية دُرست على مدى عقود.

هذا يحدث عندما يتم “إقران/ربط” جسيمين مختلفين معًا، وهو ما يُسمى التشابك الكمومي.

عندما يتشابك جسيمان، تظل حالتهما الكمومية مترابطة مهما كانت المسافة بينهما. غير أن هذا الترابط لا يتيح إرسال المعلومات بسرعة تفوق سرعة الضوء.

لا يزال الفيزيائيون الكموميون يناقشون بشدة آلية هذه الظاهرة وما تعنيه لطبيعة الواقع الأساسية. لكن المؤكد أنها ظاهرة كمومية حقيقية قابلة للقياس، وقد تتيح اتصالات كمومية شديدة الأمان.

اتصالات مختلفة جذريًا

فوتون واحد بين المليارات

حتى الآن، كان يُعتقد أنه لا يمكن نقل حالة كمومية عبر الألياف الضوئية، لأن الفوتون المتشابك المنفرد سيضيع بين مليارات الفوتونات الأخرى التي تسافر معه ويفقد حالته الكمومية الفريدة.

«عند إجراء قياس هدّام على فوتونين—أحدهما يحمل حالة كمومية والآخر متشابك مع فوتون ثالث—تنتقل الحالة الكمومية إلى الفوتون المتبقي، الذي قد يكون بعيدًا جدًا.

الفوتون نفسه لا يحتاج إلى أن يُرسل عبر مسافات طويلة، لكن حالته لا تزال تُشفَّر على الفوتون البعيد. يسمح النقل الكمومي بتبادل المعلومات عبر مسافات شاسعة دون الحاجة إلى أن تسافر المعلومات نفسها تلك المسافة.”

Jordan Thomas — باحث دكتوراه في جامعة نورثويسترن

تمثلت الفكرة الأساسية في تحديد ما إذا كانت هناك ظروف محددة داخل الألياف الضوئية لا تعطل التشابك الكمومي.

بعد دراسة متعمقة لكيفية تشتت الضوء داخل كابلات الألياف الضوئية، وجد الباحثون طولًا موجيًا أقل ازدحامًا لوضع فوتوناتهم فيه، وهو القناة الكمومية عند 1290 نانومتر. ثم أضافوا مرشحات خاصة لتقليل الضوضاء الناتجة عن حركة الإنترنت العادية.

ورغم أن ذلك قد يبدو سهلًا، فإن إعداد التجربة الفعلي كان بالغ التعقيد، وتوضح الورقة العلمية المنشورة مدى تعقيد التجربة بأكملها:

المصدر: Optica

اتصالات جديدة

بما أن الألياف الضوئية تنقل الفوتونات من نقطة إلى أخرى، كان معروفًا أنها تستطيع حمل حالة كمومية. لكن هذه هي المرة الأولى التي يُثبت فيها إمكان حدوث ذلك بالتزامن مع نقل بيانات تقليدية غير كمومية.

يعني ذلك أن عملية نقل معلومات مختلفة جذريًا تحدث هنا؛ فهي تعتمد على فوتون واحد في كل مرة بدلًا من ملايين الفوتونات المعتادة.

«في الاتصالات الضوئية، تُحوَّل جميع الإشارات إلى ضوء. وبينما تتكون الإشارات التقليدية عادةً من ملايين جسيمات الضوء، تستخدم المعلومات الكمومية فوتونات منفردة».

البروفيسور Prem Kumar — مدير مركز الاتصالات والحوسبة الفوتونية في جامعة نورثويسترن

من النموذج الأولي إلى طموحات أكبر

المزيد من الألياف الضوئية

أُجري الاختبار الأول على ليف ضوئي بطول 30 كيلومترًا (18.6 ميلًا) كانت تمر عبره حركة إنترنت عالية السرعة.

ستكون الخطوة التالية للباحثين إجراء تجارب على مسافات أطول بكثير لتحديد المدى الذي يمكن أن تصل إليه طريقة الاتصال الجديدة هذه.

أُجريت الاختبارات حتى الآن باستخدام ألياف ضوئية داخل المختبر فقط. وستستخدم مجموعة أخرى من التجارب كابلات ضوئية مدفونة في بيئة حقيقية لقياس مدى توافقها مع شبكة ألياف الإنترنت العالمية القائمة.

توسيع التطبيقات الكمومية

سيتناول جزء آخر من البحث استخدام زوجين من الفوتونات المتشابكة بدلًا من زوج واحد، لاختبار ظاهرة كمومية أخرى تُعرف باسم مبادلة التشابك.

مبادلة التشابك بروتوكول ينقل التشابك الكمومي من زوج من الجسيمات إلى زوج آخر، حتى لو لم تتفاعل جسيمات الزوج الثاني من قبل.

تُعد هذه أداة إضافية مهمة للاتصالات الكمومية المستقبلية، لأنها قد تتيح تطبيقات كمومية موزعة مثل الشبكات الكمومية. ويمكن لهذه الشبكات نقل المعلومات الكمومية بأمان عبر مسارات طويلة.

«يستطيع النقل الكمومي توفير اتصال كمومي آمن بين عقد متباعدة جغرافيًا. لكن كثيرين افترضوا طويلًا أن أحدًا لن يبني بنية تحتية متخصصة لإرسال جسيمات الضوء.

إذا اخترنا الأطوال الموجية بصورة صحيحة، فلن نحتاج إلى بناء بنية تحتية جديدة؛ إذ يمكن للاتصالات التقليدية والكمومية أن تتعايش».

البروفيسور Prem Kumar — مدير مركز الاتصالات والحوسبة الفوتونية في جامعة نورثويسترن

سيكون ذلك خطوة كبيرة في التشفير الكمومي، إذ يمكن استخدام التشابك المُبادَل بين أزواج الجسيمات لتوليد مفاتيح تشفير آمنة ومحمية من التنصت.

ومن شأن ذلك أيضًا أن يتيح نقل الحالات الكمومية لمسافات شاسعة باستخدام ما يسمى بالمكررات الكمومية. فإجراء مبادلة التشابك بصورة دورية يمكن أن «يجدد» الحالة الكمومية ويمنع فقدان البيانات عبر المسافات الطويلة.

الاستثمار في الحوسبة الكمومية

لا تزال الحوسبة الكمومية مجالًا ناشئًا، لكن يمكن للمستثمرين بالفعل التعرض له عبر الشركات التي تطور هذه التقنية.

يمكنك الاستثمار في الشركات المرتبطة بالتقنيات الكمومية عبر العديد من الوسطاء. وتجد على Securities.io توصياتنا لأفضل الوسطاء في الولايات المتحدة وكندا وأستراليا والمملكة المتحدة وبلدان أخرى عديدة.

إذا لم ترغب في اختيار شركات حوسبة كمومية بعينها، يمكنك أيضًا دراسة صناديق المؤشرات المتداولة المتخصصة مثل Defiance Quantum ETF (QTUM)، الذي يوفر تعرضًا أكثر تنوعًا لنمو صناعة الحوسبة الكمومية.

يمكنك معرفة المزيد عن الحوسبة الكمومية في «الحالة الراهنة للحوسبة الكمومية»، وعن أكبر شركات القطاع في «أفضل 5 شركات للحوسبة الكمومية» و«أفضل 10 شركات للحوسبة غير المعتمدة على السيليكون».

شركة الحوسبة الكمومية

1. Alphabet Inc.

تنشط Google بقوة في الحوسبة الكمومية، ولا سيما عبر مختبر Google Quantum AI وحرم Quantum AI في سانتا باربرا.

دخل حاسوب Google الكمومي التاريخ في عام 2019 عندما أعلنت الشركة تحقيق «التفوق الكمومي» باستخدام جهاز Sycamore، الذي أنجز خلال 200 ثانية عملية حسابية كانت ستستغرق 10,000 سنة على حاسوب فائق تقليدي.

وقد تجاوز أحدث رقائق الشركة، المسماة Willow هذا الإنجاز بفارق كبير. فهي أول رقاقة حوسبة كمومية تنخفض فيها الأخطاء كلما أضيفت كيوبتات أكثر، ما يجعلها أول تصميم قابل للتوسع لرقاقة كمومية.

لكن ربما تكون أكبر مساهمة لشركة Google في البرمجيات، وهو مجال تمتلك فيه سجلًا قويًا يفوق سجلها في الأجهزة، كما يتضح من البحث وGoogle Workspace وAndroid.

يوفر Google Quantum AI بالفعل مجموعة برمجيات مصممة لمساعدة العلماء على تطوير الخوارزميات الكمومية.

كما تدعو الشركة علنًا «الباحثين والمهندسين والمطورين إلى الانضمام إلينا في هذه الرحلة عبر الاطلاع على برمجياتنا مفتوحة المصدر ومواردنا التعليمية، ومنها دورتنا الجديدة على Coursera، حيث يمكن للمطورين تعلم أساسيات تصحيح الأخطاء الكمومية ومساعدتنا على إنشاء خوارزميات تحل مشكلات المستقبل».

بفضل هذا النهج المفتوح، تتصدر Google الآن مجال الأجهزة وحلول الحوسبة السحابية. وقد تكون من الشركات التي تضع معايير برمجيات الحوسبة الكمومية وبرمجتها، ما يمنحها موقعًا مميزًا لتوجيه تطور القطاع مستقبلًا.

وفي الوقت نفسه، قد تصبح حلول الذكاء الاصطناعي، بما فيها مركبات Waymo ذاتية القيادة، محركًا جديدًا لإيرادات Alphabet (GOOG )، التي لا تزال تتمتع بموقع مهيمن في سوقي البحث والإعلانات.

يمكنك معرفة المزيد عن أنشطة Google غير الكمومية، ولا سيما الإعلانات والذكاء الاصطناعي، في تقريرنا المتخصص الصادر في ديسمبر 2024.

2. Ciena Corporation

كانت Ciena Corporation شريكًا في المشروع البحثي الذي أثبت النقل الكمومي عبر الألياف الضوئية، وهي شركة عالمية رائدة في الأنظمة الضوئية وأنظمة التوجيه والخدمات وبرمجيات الأتمتة.

تُعد Ciena أكبر شركة في سوق الشبكات الضوئية خارج الصين بفارق كبير، وتسيطر على أكثر من 25% من السوق، كما تنشط في 70 دولة.

المصدر: Ciena Corporation

تتوقع الشركة ارتفاعًا حادًا في الطلب على النطاق الترددي خلال السنوات الأربع المقبلة، مدفوعًا بتطبيقات الذكاء الاصطناعي.

المصدر: Ciena Corporation

دفع ذلك الشركة إلى استغلال موقعها القوي في الشبكات الضوئية للتوسع في أسواق جديدة مرتبطة بازدهار الذكاء الاصطناعي. فتطبيقات كثيرة تتطلب مراكز بيانات محلية جديدة بسبب قوانين الخصوصية وتدفق البيانات عبر الحدود، كما أن ظهور مراكز البيانات المفككة يزيد الحاجة إلى سعة أكبر في الشبكات الضوئية.

المصدر: Ciena Corporation

إذا ثبتت إمكانية استخدام شبكات الألياف الضوئية القائمة لنقل البيانات الكمومية، فقد ينشأ قطاع سريع النمو جديد لصناعة الشبكات الضوئية. وسيجعل ذلك مستقبل القطاع أكثر جاذبية، إذ يمكن للحوسبة الكمومية أن تضيف دفعة كبيرة بعد الارتفاع القوي أصلًا في الطلب الناتج عن تطبيقات الذكاء الاصطناعي.

مرجع الدراسة:

^{1. Thomas, J. M., Yeh, F. I., Chen, J. H., Mambretti, J. J., Kohlert, S. J., Kanter, G. S., & Kumar, P. (2024). النقل الكمومي المتزامن مع الاتصالات الكلاسيكية في الألياف الضوئية. Optica, 11(12), 1700–1707. https://doi.org/10.1364/OPTICA.11.001700}