قد يُمهَّد الطريق إلى 6G باستخدام الجرافين

مستقبل تكنولوجيا الاتصالات اللاسلكية يتقدم بسرعة. لم يبدأ المشغلون العالميون في إطلاق 5G إلا في عام 2019. بينما لا يزال 5G في عملية التنفيذ العالمي، بدأ الجيل السادس (6G) بالفعل في التطور. 

6G هو الجيل السادس من تكنولوجيا الاتصالات اللاسلكية. جاء الجيل الأول (1G) في الثمانينات وقدم الصوت التناظري. ثم تم تقديم الجيل الثاني (2G) في أوائل التسعينات، مما جلب الصوت الرقمي وحسّن ليس فقط جودة الصوت بل أيضاً عمر البطارية وأمان الشبكة.

تبع ذلك الجيل الثالث (3G) في أوائل الألفينات، الذي جلب البيانات المتنقلة وفتح إمكانيات جديدة مثل المكالمات المرئية ودعم الرسائل المتعددة الوسائط. الجيل الرابع (4G) في العقد 2010م، أطلق عصر النطاق العريض المتنقل مع تقليل الكمون وزيادة سرعة النطاق. وفي الوقت نفسه، زاد 5G من السرعة ودعم تطبيقات مثل الواقع المعزز (AR) والقيادة الذاتية.

إذن، كل جيل جديد من تكنولوجيا الاتصالات اللاسلكية يأتي بقدرات جديدة، وهذا ينطبق أيضاً على 6G. 

مع استمرار اتجاه الابتكار والتحسين في الاتصالات اللاسلكية، سيجلب 6G لنا نطاقاً أكبر من النطاق الترددي والسرعة، وكموناً منخفضاً للغاية، وموثوقية أعلى. الهدف من هذه التقنية هو تقديم ذكاء واتصالات لاسلكية شاملة في كل مكان.

ستستخدم التقنية الجديدة نفس اللبنات الأساسية التي استخدمتها الشبكات السابقة، مثل محطات القاعدة، وأجهزة التوجيه، والهوائيات، إلخ، لكن ما سيجعلها مختلفة هو استخدام تقنيات جديدة لتعزيز قدرات الاتصالات اللاسلكية. 

هذا يعني أن 6G سيُبنى على أساس 5G لتحسين ما جلبته التقنية الحالية في ربط الشبكات للمستخدم النهائي. 

بالإضافة إلى توفير اتصال عالي السرعة مع كمون منخفض متوقع، من المتوقع أن يتعامل شبكة 6G مع الطلب المتزايد بشكل أُسّي على المرور بطريقة فعّالة من حيث التكلفة. قد تحقق أيضاً تغطية عالمية كاملة، مما يتيح للجميع الوصول. ومع ذلك، سيتطلب دعم هذا العدد الضخم من الأجهزة تكاليف مستدامة لكل من مزودي الخدمة والمستهلكين. 

ومع ذلك، هذا لا يكفي. بالإضافة إلى هذه التحسينات والتغطية العالمية عبر ربط المناطق النائية، يجب أن تقدم التقدمات التقنية أيضاً مقاومة للهجمات الخبيثة المتعمدة على البنية التحتية ومرونة ضد الكوارث الطبيعية والاضطرابات المحلية.

كل هذه التطورات في تقنية 6G ستساعدنا في الرعاية الصحية الدقيقة، والزراعة الذكية، والمدن الذكية، والتوأم الرقمي، والاتصالات الفضائية، وتوجيه الروبوتات. كما ستمكن من معالجة وتحليل البيانات في الوقت الفعلي عند حافة الشبكة بالإضافة إلى دمج مليارات الأجهزة المتصلة في الحياة اليومية بسلاسة. من المتوقع أن يساهم نشر 6G أيضاً في الابتكارات الصديقة للبيئة لتقليل الأثر البيئي وتعزيز التنمية المستدامة.

بينما تعد 6G بمستقبل متقدم للغاية، تواجه عدة تحديات، بما في ذلك التكلفة والأمان. لتشغيل هذه التقنية، نحتاج إلى بنية تحتية جديدة على نطاق واسع، وهو ما يُعد مكلفاً للبناء. كما أن التكنولوجيا المفتوحة المصدر، والشبكات الافتراضية، وإنترنت الأشياء ستزيد من تعرضها لاختراقات الأمان.

هنا يتم استكشاف التشفير الكمومي، والبلوك تشين، وقدرات التنبؤ للذكاء الاصطناعي كحلول أمان محتملة، بينما من المتوقع أن يساعد افتراضية العديد من المكونات الفيزيائية في تقليل التكلفة.

عندما يتعلق الأمر بحجم السوق العالمي لهذه التقنية، من المتوقع أن تصل قيمتها إلى $40.5 مليار بحلول عام 2032، مدفوعاً بالطلب على الاتصال الفائق، وفوائد الكمون المنخفض ومعدلات البيانات العالية، ووعد التطبيقات الجيلية القادمة، واستخدام ترددات التيراهرتز والذكاء الاصطناعي، وإمكانية سد الفجوة الرقمية.

من المتوقع أن يبدأ نشر تقنية 6G بحلول نهاية هذا العقد. في الوقت الحالي، لا تزال في مراحل البحث الأولية.

تحسين الاتصالات اللاسلكية باستخدام المادة الكمومية

مع التركيز المتزايد على تحسين تكنولوجيا الاتصالات اللاسلكية بشكل جذري على مستوى العالم، يستكشف الباحثون طرقاً مختلفة لفتح تقنيات أسرع وأكثر كفاءة في الاتصالات اللاسلكية.

وجد فريق من الباحثين الآن طرقاً لتضخيم تحويل تردد موجات التيراهرتز (THz) في هياكل تعتمد على الجرافين. 

أنظمة الاتصالات اللاسلكية بتردد التيراهرتز (THz) تكتسب زخماً كبيراً بسبب السعي نحو نطاقات ترددية وعرض نطاق أوسع في طيف التيراهرتز، خاصةً النطاقات العريضة.

في حين أن عرض النطاق بالميغاهرتز يكفي للتطبيقات الحالية، فإن سيناريوهات الاتصالات الشبكية المستقبلية ستتطلب نطاقات ترددية بعدة جيغاهرتز (GHz) لتؤدي بشكل جيد. كونها موجات عالية التردد ذات أطوال موجية قصيرة جداً، يمكن لموجات THz نقل البيانات بسرعة أكبر.

التيراهرتز (THz) هو وحدة تردد تقيس الموجات الكهرومغناطيسية في نطاق 0.1-10 THz. هذه الموجات، غير الغازية وآمنة للبشر والحيوانات والنباتات، تقع بين الأشعة تحت الحمراء وموجات المليمتر في الطيف الكهرومغناطيسي (EM).

هذا يعني أن موجات THz يمكن استخدامها للتصوير غير الغازي عبر المواد غير الشفافة لأغراض مراقبة الجودة وتطبيقات الأمن.

إمكاناتها الضخمة في عرض النطاق تسمح أيضاً بمعدلات بيانات فائقة، وتُمكّن من قدرات تتجاوز 5G. ومع ذلك، تُمتص هذه التقنية الواعدة بسهولة بواسطة مكونات الغلاف الجوي مثل الهواء وبخار الماء، مما يقلل من قوة الإشارة مع المسافة. 

عند الحديث عن إمكانات موجات THz للاتصالات اللاسلكية، تم إحراز تقدم في البصريات غير الخطية لتقنية THz. تتضمن البصريات غير الخطية دراسة تفاعل الضوء مع المواد لإنتاج ظواهر فريدة، بما في ذلك توليد التوافقيات الضوئية.

مع استمرار تطور تقنيات THz، طور باحثو جامعة أوتاوا طريقة لبناء أجهزة يمكنها رفع تردد الإشارات الكهرومغناطيسية إلى ترددات أعلى. هذا يمكن أن يضيق الفجوة بين إلكترونيات GHz وفوتونيات THz.

أظهرت نتائج الدراسة الأخيرة، نُشرت في مجلة Nature¹ استراتيجيات الفريق المبتكرة لتعزيز غير الخطية في أجهزة تعتمد على الجرافين.

وفقاً لجان-ميشيل مينارد، أستاذ الفيزياء المشارك من كلية العلوم الذي شارك في المشروع:

“[هذا] يمثل خطوة هامة إلى الأمام في تحسين كفاءة محولات تردد THz، وهو جانب حاسم لتطبيقات THz متعددة الطيف وخاصة مستقبل أنظمة الاتصالات مثل 6G.”

باستخدام الطريقة التي أظهرها البحث الجديد، يمكن أيضاً الاستفادة من الخصائص البصرية الفريدة للجرافين.

مستخرجاً من الجرافيت، يتكون الجرافين من كربون نقي، وهو أحد أهم العناصر في الطبيعة. هذه المادة الكمومية الناشئة تتكون فعلياً من طبقة واحدة من ذرات الكربون وتُعرف بصلابتها وخفتها ومرونتها. 

هذا المادة ثنائية الأبعاد معروفة أيضاً بمقاومتها وتوصيلها الحراري والكهربائي العالي. والأهم من ذلك، يتمتع الجرافين بخصائص بصرية ملحوظة، تشمل شفافيته العالية في نطاق الطيف المرئي، والتي تعتمد على بنية نطاقه، وامتصاصه الضوئي القابل للتعديل في الأشعة تحت الحمراء، واستجابته الضوئية حتى نطاق تردد THz.

كل هذه الخصائص المدهشة تجعل الجرافين مادة ذات قيمة في مجالات الطاقة، والبناء، والصحة، والإلكترونيات. ولا سيما غير الخطية البصرية الكبيرة، إلى جانب سهولة دمجه في الأجهزة، تجعل الجرافين مرشحاً مثالياً ليصبح مكوناً أساسياً لتقنيات التبديل البصري الكامل وتحويل التردد لتطبيقات معالجة الإشارات والاتصالات اللاسلكية.

الدراسات التي جمعت سابقاً بين ضوء THz والجرافين ركزت أساساً على التفاعلات الأساسية بين الضوء والمادة. تقييم تأثير معلمة واحدة فقط ينتج عنه تأثيرات غير خطية ضعيفة.

لذلك، بدلاً من ذلك، جمعت الأبحاث الأخيرة عدة نهج مبتكرة لتحسين هذه التأثيرات غير الخطية وفي الوقت نفسه الاستفادة الكاملة من خصائص الجرافين الفريدة.

لتعزيز غير الخطية في هياكل تعتمد على الجرافين، زاد الفريق من طول التفاعل باستخدام تصميم متعدد الطبقات، وتحكم في كثافة الحاملات عبر بوابة كهربائية، وعدل التوزيع المكاني لحقل THz باستخدام ركيزة ميتاسطح معدني. 

لاحظ علي مالكي، طالب الدكتوراه في مجموعة THz الفائقة السرعة بجامعة أوتاوا، أن التجربة الجديدة، إلى جانب هياكل أجهزتها، “توفر إمكانية استكشاف مجموعة واسعة من المواد بما يتجاوز الجرافين وربما تحديد آليات بصرية غير خطية جديدة.” 

أفاد الفريق عن تحسين عوامل توليد التوافقي الثالث (THG) لتجاوز الثلاثين واقترح هياكل قادرة على تحقيق زيادة من رتبة مرتين. 

يعتقد مالكي، الذي جمع وحلل نتائج الدراسة، أن البحث ضروري لتحسين تقنيات تحويل تردد THz. وفقاً له، سيساعد التطور في النهاية على دمج هذه التقنية في التطبيقات الواقعية، “وخاصة لتمكين محولات إشارات THz غير خطية مدمجة على الرقاقة بكفاءة، والتي ستقود أنظمة الاتصالات المستقبلية.”

اللاعبون الرئيسيون في 6G

السباق للهيمنة على تطوير 6G يشمل الجميع من الصين والولايات المتحدة إلى كوريا الجنوبية، أوروبا، والهند الذين يطبقون خططاً متقدمة. 

تتعاون الشركات أيضاً لتسريع تطويرها. شركة سامسونج للإلكترونيات تعاونت مع أكبر مشغل هاتف محمول في اليابان، NTT Docomo، لـ “تسريع الابتكار المدعوم بالذكاء الاصطناعي في صناعة الاتصالات”، مما سيساهم أيضاً في تحقيق الاتصالات المستقبلية مثل 6G. شركة سوفت بنك كورب وقعت مذكرة تفاهم مع نوكيا لتطوير نظام اتصالات يستفيد من الذكاء الاصطناعي لتقنية 6G. وفي الوقت نفسه، توسّع آبل فريقها للغوص أعمق في مجال 6G.

إذن، بينما يركب الجميع قطار 6G، دعونا نلقي نظرة على بعض الشركات العامة المدرجة التي ستستفيد كثيراً من هذا التقدم.

1. Qualcomm Inc.

هذه العملاقة في مجال أشباه الموصلات تشارك بالفعل في توفير مودمات 5G وتستمر في الاستثمار للحفاظ على ريادتها. تقدم Qualcomm (QCOM ) بانتظام رؤيتها للجيل السادس (6G) وتعمل على حلول أشباه موصلات متقدمة ومعايير لاسلكية لتشغيل البنية التحتية والأجهزة لهذا الجيل.

في الشهر الماضي، أشارت الشركة إلى أن 6G مهيأة لتلبية تحديات توفر طيف أوسع وكفاءة أكبر في استخدامه. كما تهدف إلى فتح فرص عبر نطاقات طيفية منخفضة ومتوسطة وعالية، حيث ستعزز التغطية والسعة وتمكّن تطبيقات عالية الأداء مثل الذكاء الاصطناعي التوليدي والواقع الممتد (XR).

هدف Qualcomm هو دفع الابتكارات التي تفتح الطريق إلى طيف جديد مع تحسين كفاءة التشغيل للنطاقات الحالية. 

للتحضير لعصر 6G القادم، تعمل Qualcomm مع منظمي الطيف، ومشغلي الهواتف المحمولة، ومصنعي الأجهزة الأصلية، والجامعات. وعلى وجه الخصوص، تعمل على تجهيز النطاق المتوسط العلوي (من 7 جيغاهرتز إلى 16 جيغاهرتز) للجيل السادس.

المعروفة باسم “Giga-MIMO”، تأتي التقنية مع مجموعة هوائيات أكثر كثافة في محطة القاعدة وتصميم أكثر تعقيداً للمعالج القاعدي للجهاز وترددات الراديو (RF). كما قدمت Qualcomm شبكة اختبار 5G mmWave الموسعة، والتي ستكون أيضاً مُمكناً أساسياً للاتصالات المتكاملة والاستشعار.

سيستمر 6G في البناء على أساس واجهة الهواء والشبكات المتكاملة الأرضية/غير الأرضية (TN/NTN)، وفقاً لجون سمي، الرئيس العالمي لأبحاث اللاسلكي في Qualcomm، في مقابلة. أما بالنسبة للانتقال من 5G إلى 6G، يتوقع أن يعزز بشكل كبير الاتصال اللاسلكي مع تمكين خدمات جديدة مثل الذكاء الاصطناعي، والاستشعار، والتوأم الرقمي. 

وبالحديث عن الذكاء الاصطناعي على وجه الخصوص، أشار سمي إلى أنه سيعزز ليس فقط أداء نظام 5G بل أيضاً نظام 6G، وكفاءة التشغيل، وتجربة المستخدم، مع فتح حالات استخدام جديدة على نطاق واسع. يمكن للنهج الأصلي للذكاء الاصطناعي، وفقاً له، أن يجلب مزيداً من الابتكار للأجهزة والشبكات.

الآن، عندما نتحدث عن البيانات المالية لـ Qualcomm، فإن الشركة ذات القيمة السوقية البالغة 190.24 مليار دولار، تُتداول أسهمها حالياً عند 174 دولاراً. ارتفعت أسهم الشركة بنسبة 12.04٪ منذ بداية العام. بينما يبلغ ربح السهم (TTM) 8.95 ونسبة السعر إلى الربح (TTM) 19.24. كما تدفع عائد توزيعات بنسبة 1.98٪. 

بالنسبة للربع الأخير المُعلن عنه، والذي انتهى في سبتمبر 2024، حققت الشركة إيرادات غير محاسبية قدرها 10.2 مليار دولار بينما كان ربح السهم غير المحاسبي 2.69 دولاراً، مع نمو سنوي في ربح السهم بأكثر من 30٪. كما دفعت Qualcomm عوائد للمساهمين بقيمة 2.2 مليار دولار، شملت 1.3 مليار دولار من عمليات إعادة شراء الأسهم و947 مليون دولار من توزيعات الأرباح. تم الإبلاغ عن تدفق نقدي حر للسنة المالية 2024 بقيمة 11.2 مليار دولار.

كما أحرزت الشركة تقدماً كبيراً في استراتيجية التنويع الخاصة بها، مما مكنها من إنتاج شرائح لأجهزة الحواسيب الشخصية، والسيارات، والآلات.

“سنستمر في تحويل Qualcomm من شركة اتصالات لاسلكية إلى شركة حوسبة متصلة لعصر الذكاء الاصطناعي.”

– الرئيس التنفيذي كريستيان أمان في ذلك الوقت

2. Verizon Communications 

في عام 2020، قال كبير مسؤولي التقنية في هذه الشركة المزودة للاتصالات إنه “لا يعرف ما هو 6G بحق”، ولا يزال تركيزهم على تعزيز 5G. ومع ذلك، انضمت الشركة إلى قادة الصناعة اللاسلكية الآخرين لتشكيل تحالف Next G.

تجمع Verizon، إلى جانب Qualcomm، سامسونج، AT&T (T ) ، آبل، جوجل، إريكسون، مايكروسوفت، نوكيا، فيسبوك، بيل كندا، سينا، InterDigital (IDCC ) ، JMA Wireless، TELUS، Telnyx، T‑Mobile، وUS Cellular، لتشكيل التحالف. يهدف التحالف إلى تطوير خارطة طريق وطنية للجيل السادس (6G)، وتنسيق أولويات أصحاب المصلحة للسياسات الحكومية والتمويل، وتحديد استراتيجيات لتسريع تبني تقنية 6G عبر القطاعات.

(ERIC ) (MSFT )

عند الحديث عن البيانات المالية لـ Verizon، فإن الشركة ذات القيمة السوقية البالغة 166.45 مليار دولار، تُتداول أسهمها حالياً عند 40.10 دولاراً. انخفضت أسهم الشركة بنسبة 1.13٪ منذ بداية العام. بينما يبلغ ربح السهم (TTM) 4.15 ونسبة السعر إلى الربح (TTM) 9.54. تدفع Verizon عائد توزيعات يصل إلى 6.85٪.

بالنسبة للربع الرابع من عام 2024، أعلنت ما تسميه “إيرادات خدمة لاسلكية رائدة في الصناعة” بقيمة 20 مليار دولار. بلغ إجمالي إيراداتها التشغيلية 35.7 مليار دولار، وصافي الدخل الموحد 5.1 مليار دولار. كان إجمالي الدين غير المضمون للشركة 117.9 مليار دولار. 

كان الربع الرابع في الواقع أفضل ربع لشركة Verizon خلال خمس سنوات من حيث نمو المشتركين اللاسلكيين، بفضل خطط myPlan القابلة للتخصيص وعروض الجمعة السوداء. أضافت الشركة ما يقرب من مليون مشترك مدفوع للهواتف المحمولة والنطاق العريض، وهو أفضل نتيجة ربع سنوية خلال أكثر من عقد. وكان عدد المشتركين اللاسلكيين الثابتين تقريباً 4.6 مليون. كما كشفت الشركة عن Verizon AI Connect، الذي يستفيد من طفرة الذكاء الاصطناعي لتمكين الشركات من إدارة أعباء عمل الذكاء الاصطناعي على نطاق واسع.

الخلاصة

بعد التركيز على التواصل بين البشر في الأجيال التقنية السابقة ثم إحداث تحول جذري في استهلاك البيانات، يتركز الآن الجهد على ربط إنترنت الأشياء وأنظمة الأتمتة. ولكن مع 6G، سيتحد العالمان البشري والرقمي بسلاسة لتجارب محسّنة.

ستقود التقدمات التقنية، والرقمنة المتزايدة، وحالات الاستخدام المتقدمة، وتقديم أداء فائق، سوق 6G إلى الأمام. بفضل سرعته الفائقة، الكمون المنخفض، والاتصال العالمي، ستقود تقنية 6G المستقبل الجديد عبر السيارات ذاتية القيادة، والمدن الذكية، والواقع الافتراضي. 

من المتوقع أن تشكل هذه الجيل الجديد من التكنولوجيا اللاسلكية الاقتصاد والمجتمع بمجرد إطلاقه في أوائل العقد الثالث من القرن الحالي. ومع ذلك، توجد عوائق من حيث التكلفة الأولية العالية، وتوافر الطيف المحدود، وتحديات التوحيد القياسي التي يجب تجاوزها أولاً.

تلعب الأبحاث، مثل تلك التي نوقشت هنا، دوراً حاسماً في جعل هذه التقنية واقعاً. فهي تُظهر قيمة الجرافين في تمكين الاتصالات بترددات التيراهرتز (THz)، وهو أمر أساسي لقدرات الجيل السادس (6G) المستقبلية. لذا، مع استمرار الأبحاث، وإطلاق المبادرات الحكومية، وتعاون الشركات، بدأنا بالفعل في إحراز تقدم نحو الجيل السادس من تكنولوجيا الاتصالات اللاسلكية التي تعد بمستقبل أكثر اتصالاً وابتكاراً!

تنظيف الجرافين هو المفتاح لتجاريزه.

مرجع الدراسة:

^{1. مالكي، أ., هيندل، م. ب., شين، ي., بويد، ر. و., هيرينك، ج., ومنارد، ج.-م. (2024). استراتيجيات لتعزيز توليد التوافقيات في نطاق التيراهرتز من خلال الجمع بين البنى المتعددة الطبقات، والبوابات، والهياكل الميتامادية. Light: Science & Applications, 15, Article 1657. https://www.nature.com/articles/s41377-024-01657-1}