فيزيائيو الكم يسجلون رقما قياسيا جديدا لتشابك الفوتونات معا

وُجدت طريقة جديدة لتشابك مصائر شظايا الضوء تغلبت على بعض العقبات الخطيرة في طريق الحوسبة الكمومية القائمة على الفوتون.

ونجح باحثون من معهد ماكس بلانك للبصريات الكمية في ألمانيا في مشابكة 14 فوتونا في حالة تعتبر مثالية للكيوبتات، أكثر من ضعف المحاولات السابقة - مع تحسين كفاءتها أيضا.

وعلى عكس "بتات'' الشفرة الثنائية التي تقف وراء الأشكال الأكثر تقليدية لتقنية الحوسبة، توجد الكيوبتات في حالة احتمالية تسمى التراكب، وتتصرف كعملة مقلوبة وهي تتدحرج في الهواء.

ويمكن للخوارزميات التي تعتمد على الطريقة التي تسقط بها مجموعات العملات الكمومية أن تجعل بعض العمليات الحسابية المعقدة إلى حد ما قصيرة، ولكن فقط إذا لم يتم تفجير مسارها الجماعي عن غير قصد بفعل البيئة.

ويُشار إلى هذا الانقطاع في تراكب الجسيم على أنه فك الترابط، وهو عقبة كبيرة أمام المهندسين الذين يصممون أجهزة كمبيوتر كمومية مفيدة.

ومن الناحية النظرية، يمكن أن يوجد أي شيء تقريبا في حالة تراكب كمي للحالات، من الإلكترونات إلى الذرات إلى الجزيئات الكاملة (أو أكبر).

وتصنع الفوتونات كيوبتات مثالية. ولسوء الحظ، تحتاج أجهزة الكمبيوتر الكمومية العملية إلى الكثير من الكيوبتات بالآلاف وحتى الملايين. ولا يقتصر الأمر على أنها بحاجة إلى الدوران في حالة التراكب دفعة واحدة، بل يجب مشاركة مصائرها. أو، لاستخدام مصطلح الفيزياء، متشابك. وهذا هو المكان الذي يأتي فيه التحدي.

وهناك طرق سهلة نسبيا لتشابك أزواج الفوتونات. قم بإجبار الذرة على إصدار موجة من الضوء ثم تقسيمها باستخدام شاشة خاصة، وستحصل على فوتونين لهما تاريخ مشترك.

وبينما تظل في حالة طيران مع خصائصها الخاصة التي لم يتم قياسها بعد، فإنها تتصرف إلى حد ما مثل تلك العملة الدوارة.

ونجحت التجارب التي أجريت على كائنات تسمى النقاط الكمومية في تشابك سلاسل من ثلاثة إلى أربعة فوتونات. وليس فقط أنه من غير المرجح أن تنتج المئات والآلاف اللازمة لجهاز كمبيوتر كمي، فإن حالة التشابك باستخدام هذا النهج ليست موثوقة كما قد يرغب المهندسون.

وأنتجت دراسات أحدث باستخدام ذرات ذات مدارات إلكترونية كبيرة، تسمى ذرات ريدبيرغ، ما يصل إلى ستة فوتونات متشابكة، وكلها في شكل متشابك بكفاءة. وعلى الرغم من أن الطريقة يمكن أن تجعل مكونات الحوسبة فائقة السرعة، إلا أنها ليست خيارا قابلا للتطوير بسهولة أيضا.

ويمكن أن ينتج هذا الحل الأحدث، من الناحية النظرية، أي عدد من الفوتونات المتشابكة، وكل ذلك في الحالة المثالية.

ويقول طالب الدكتوراه في الفيزياء والمعد الرئيسي فيليب توماس: "كانت الحيلة في هذه التجربة هي أننا استخدمنا ذرة واحدة لإصدار الفوتونات ونسجها بطريقة محددة للغاية".

وتم دغدغة ذرة من الروبيديوم في موجات ضوئية تنبعث منها، والتي تم توجيهها إلى تجويف لعكسها ذهابا وإيابا بطريقة دقيقة للغاية.

ومن خلال الضبط الدقيق للطريقة التي يتوهج بها الروبيديوم، يمكن أن يتشابك كل فوتون مع حالة الذرة بأكملها - ما يعني أن كل فوتون يرتد ذهابا وإيابا في التجويف، كان متشابكا مع عدد كبير أيضا.

ويقول توماس: "نظرا لأن سلسلة الفوتونات ظهرت من ذرة واحدة، فيمكن إنتاجها بطريقة حتمية".

وفي هذه الحالة، تمكن الفريق من تشابك 12 فوتونا في مجموعة خطية أقل كفاءة، و14 فوتونا في حالة غرينبرغر - هورن - زيلينغر (GHZ).

ويقول توماس: "على حد علمنا، فإن 14 جسيما ضوئيا مترابطا هي أكبر عدد من الفوتونات المتشابكة التي تم إنشاؤها في المختبر حتى الآن".

ولم يقتصر الأمر على تمكنهم من مشابكة الكثير من الفوتونات، بل تحسنت كفاءة هذه الطريقة في العمليات السابقة، حيث يوفر واحد من كل فوتونين تقريبا كيوبتات متشابكة بدقة.

وستحتاج الإعدادات المستقبلية إلى إدخال ذرة ثانية لتوفير الكيوبتات اللازمة للعديد من عمليات الحوسبة الكمومية. ويمكن أن يوفر وجود فوتونات متشابكة عند النقر أسسا لتقنية تتجاوز الحوسبة، وتحتل دورا مركزيا في الاتصالات المشفرة الكمومية.