الحوسبة
مستقبل الاتصالات الكمومية: شرح النقل الفوتوني الفردي
ما هو النقل الكمي وكيف يعمل؟
على الرغم من أنه يبدو كأنه مفهوم خيالي من فيلم خيال علمي، فإن النقل الكمي هو في الواقع ظاهرة حقيقية تم دراستها لعقود.
يحدث هذا عندما يتم “إقران/ربط” جسيمين مختلفين معًا، وهو ما يُطلق عليه اسم التشابك الكمي.
في هذه الحالة، عندما يتم ربط جسيمين، بغض النظر عن المسافة بينهما، يتبادلان المعلومات عبر مسافات شاسعة دون حملها فعليًا. في بعض الحالات، يبدو أن تبادل المعلومات يحدث أسرع من سرعة الضوء، وهو أمر نظريًا مستحيل.
كيف يعمل وما يعنيه بالنسبة للجانب الأساسي من واقعنا لا يزال موضوع نقاش حاد بين الفيزيائيين الكميين. ومع ذلك، نعلم أن هذه ظاهرة كمية حقيقية وقابلة للقياس، يمكن أن تسمح باتصالات مؤمنة تمامًا وفورية.
الحالة الحالية لتقنية النقل الكمي
الإنجازات التي تمكّن نقل البيانات الكمية العملي
تم تحقيق تقدم حديث لاستغلال التشابك الكمي والنقل في وسائل عملية لنقل البيانات.
كان أحد التقدمات هو اكتشاف أن شبكة الألياف الضوئية العادية يمكن استخدامها لهذا الغرض، حتى عندما تُخلط مع حركة مرور الإنترنت العادية. يفتح هذا إمكانية الاتصالات الكمية العملية دون الحاجة إلى بناء شبكة موازية مخصصة للشبكة العادية المستخدمة حاليًا.
تقدم آخر هو إمكانية ربط الحواسيب الكمومية معًا. استخدم باحثون من أكسفورد الألياف الضوئية لتوصيل الكيوبتات معًا وتشابكها، باستخدام الفوتونات (جسيمات الضوء). قد يفتح هذا الطريق أمام حواسيب كمومية معيارية، حيث يتم ربط كل وحدة فرعية معًا.
القيود والتحديات في النقل الكمي
معظم أجهزة النقل الكمي التي تُعتبر حاليًا هي من النوع “الخطي”، حيث يتم نقل الفوتونات مباشرةً من النقطة أ إلى النقطة ب.
هذا غالبًا ما يكون مشكلة، حيث إن هذا النوع من نقل الفوتونات يضيف ضوضاء إلى الإشارة بطبيعة الحال، مما قد يؤدي إلى فشل الاتصالات أو على الأقل يجعلها أقل كفاءة.
مشكلة أخرى هي أن معظم مصادر الفوتونات لا تنتج زوجًا واحدًا من الفوتونات، مما يجعل تحديد التشابك أمرًا معقدًا.
كيف يمكن للضوء غير الخطي أن يُحوّل الاتصالات الكمية
قد يكون فريق من الباحثين في جامعة إلينوي قد أنشأ مصدرًا جديدًا للفوتونات يمكنه تحسين أداء الاتصالات القائمة على النقل الكمي بشكل جذري.
نشروا نتائجهم في Physical Review Letters1، تحت عنوان “النقل الكمي الموثوق عبر محلل حالة بيل غير خطي نانوبوتوني”.
الفكرة الأساسية هي أن هذه التقنية تساعد في تقليل مشكلة انبعاث فوتونات متعددة، مما يجعل التقنية أكثر موثوقية بفضل مبادئ الضوء غير الخطي الأساسية.
فهم الضوء غير الخطي في التكنولوجيا الكمية
الضوء الخطي هو علم البصريات العادي الذي يُدرّس في المدارس، حيث يتفاعل الضوء مباشرةً مع منشور على سبيل المثال.
في البصريات غير الخطية، يعتمد تفاعل الوسط الذي يمر فيه الضوء على طول موجة الضوء، شدته، اتجاهه، واستقطابه.
“الضوضاء متعددة الفوتونات تحدث في جميع مصادر التشابك الواقعية، وهي مشكلة خطيرة للشبكات الكمومية.
جاذبية البصريات غير الخطية هي أنها يمكن أن تخفّف من تأثير الضوضاء متعددة الفوتونات بفضل الفيزياء الأساسية، مما يجعل من الممكن العمل مع مصادر تشابك غير مثالية.
المكونات البصرية غير الخطية تجعل فوتونات ذات ترددات مختلفة تتحد لتُنشئ فوتونات جديدة بترددات جديدة. في هذه الحالة المحددة، تم استخدام “توليد التردد الجمعي” (SFG).
المصدر: EKSPLA
دمج الفوتونات عبر توليد التردد الجمعي (SFG)
بفضل دمج الفوتونات الذي يحدث أثناء SFG، يمكن استخدام ترددات هذه الفوتونات المحددة فقط، مما يقلل بشكل كبير الضوضاء الناتجة عن الفوتونات المتعددة عند استخدام البصريات الخطية.
المصدر: SciTechDaily
هذه ليست فكرة جديدة، لكن المشكلة حتى الآن كانت أن تحقيق SFG كان صعبًا للغاية لدرجة أنه لم يكن هناك ما يكفي من الفوتونات لتكون وسيلة عملية لنقل المعلومات.
“كان الباحثون على علم بهذا منذ فترة طويلة، لكن لم يتم استكشافه بالكامل بسبب انخفاض احتمال نجاح SFG.
في الماضي، كان أفضل ما تم تحقيقه هو 1 من كل 100 مليون. إنجازنا هو تحقيق زيادة بمقدار 10,000 في كفاءة التحويل إلى 1 من كل 10,000 باستخدام منصة نانوبوتونية.
مواد جديدة تجعل الضوء الكمي غير الخطي قابلاً للتطبيق
هذا الارتفاع بمقدار 10,000 مرة في الكفاءة يجعل البصريات غير الخطية فجأة خيارًا قابلًا للتطبيق لإنتاج الفوتونات التي ستُستخدم لنقل البيانات من خلال قياس تشابكها.
تم تحقيق ذلك بفضل مادة إنديم-غاليوم-فوسفات تم تطويرها من قبل الباحثين.
“نظامنا غير الخطي ينقل المعلومات الكمومية بدقة 94٪، مقارنةً بالحد النظري البالغ 33٪ في الأنظمة التي تستخدم مكونات بصرية خطية،”
ما هو التالي في مجال النقل الكمي والشبكات؟
هذا يُعد حاليًا تقدمًا نظريًا للغاية، بمعنى أنه يغيّر تمامًا الطريقة التي سيضطر الباحثون إلى بناء أنظمة الاتصالات الكمومية في المستقبل، حيث أن جميع بروتوكولات الشبكات الكمومية الحالية (بما في ذلك النقل الكمي وتبديل التشابك) تستخدم تصميمًا بصريًا خطيًا.
بالاشتراك مع التقدم المحرز في نقل الفوتونات المتشابكة عبر شبكات الألياف الضوئية العادية، قد يغيّر هذا بشكل جذري موثوقية وكفاءة طريقة الاتصالات هذه، مما يقرب الحواسيب الكمومية المترابطة أكثر مما كان يُعتقد ممكنًا في السابق.
الاستثمار في الحوسبة الكمومية بالأيونات المحاصرة
مع تزايد قابلية تنفيذ هذه التطورات في الاتصالات الكمومية، تتجه شركات مثل IonQ (IONQ ) إلى تسويق التكنولوجيا.
IonQ هي شركة حوسبة كمومية تستخدم تقنية الأيونات المحاصرة، أسسها علماء رائدون في المجال من جامعة ماريلاند وجامعة ديوك. تم إدراجها في البورصة العامة (NYSE) في عام 2021.
(IONQ )
منصات الحوسبة الكمومية من IonQ قادرة على تحقيق نتيجة بدقة 99.9٪. تستخدم حاليًا سلسلة من 64 أيون باريوم، تنتج 36 كيوبتًا خوارزميًا (AQ). تسمح تنظيم السلسلة بحوسبة أسرع بكثير من تصاميم الأيونات المحاصرة الأخرى دون فقدان الدقة.
المصدر: IonQ
استحوذت IonQ على شركة Qubitekk في يناير 2025، مضيفةً إلى عملياتها فريق الشركة و118 براءة اختراع. تخصص Qubitekk هو في الشبكات الكمومية، باستخدام الوصلات الفوتونية، وتمكين التجمعات الكمومية، وتطوير قدرات الإنترنت الكمومي.
يجب أن تسهّل الشبكات الكمومية اتصالات آمنة للغاية وفي النهاية تسمح بالحوسبة الكمومية الموزعة. بالنظر إلى السرعة التي يتقدم بها المجال، قد تكون الخبرة والملكية الفكرية في هذا الموضوع حاسمة لمستقبل IonQ.
تعمل IonQ أيضًا على تطوير شراكة مع NKT Photonics (NKT.CO) للمساعدة في تطوير حواسيب كمومية جاهزة لمراكز البيانات في المستقبل.
كما تتعاون مع Imec في الدوائر المتكاملة الفوتونية وتكنولوجيا فخ الأيونات على مستوى الرقاقة لتوسيع عدد الكيوبتات وحجم النظام وتكاليفه.
بدلاً من تطوير مجموعة أدوات تطوير البرمجيات (SDK) الخاصة بها، تدعم الشركة جميع الأدوات الرئيسية في آن واحد، وتتعاون مع العديد من الشركات الرائدة لتطوير تطبيقات جديدة للحوسبة الكمومية.
المصدر: IonQ
بالاشتراك مع منافستها Quantinuum، التابعة لـ Honeywell (HON ), تقترب IonQ من تطوير حواسيب كمومية تجارية، مع تركيزها على أنظمة الأيونات المحاصرة ذات الدقة العالية وعدد الكيوبتات الأقل.
تُعد IonQ أقرب سهم حوسبة كمومية خالص للمستثمرين الذين يهتمون أقل بأنشطة القادة الآخرين مثل Google أو Intel أو IBM أو Honeywell.
ساعد نجاحها المبكر في بناء شبكة قوية من الشراكات مع مبتكري الحوسبة الكمومية الآخرين للاستمرار في دفع هذه التقنية إلى الأمام، مع تركيز حديث على الحواسيب الكمومية المتصلة بالشبكات.
مع تزايد موثوقية الاتصالات القائمة على التشابك الكمومي، قد يكون الجمع بين العديد من الحواسيب الكمومية ذات الأيونات المحاصرة عالية الموثوقية خيارًا قويًا للتطبيق التجاري الأول لهذه التقنية.
أخبار سهم IonQ وآخر التطورات
مرجع الدراسة:
1. Joshua Akin, Yunlei Zhao, Paul G. Kwiat, Elizabeth A. Goldschmidt, and Kejie Fang.(2025) النقل الكمي الموثوق عبر محلل حالة بيل غير خطي نانوبوتوني. Physical Review Letters134, 160802 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.160802
