سباق نحو المستقبل.. النقل الآني للمعلومات يعزز جهود بناء “الإنترنت الكمي”

شهد مجال الاتصالات الكمومية تطوراً مهماً يبشر بمستقبل واعد للإنترنت الكمي، حيث تمكن باحثون في جامعة نورث ويسترن من إثبات إمكانية إجراء النقل الكمي للمعلومات بنجاح عبر مسافات طويلة دون الحاجة إلى اختراع تقنيات مستقبلية غير متوفر حاليا.

تمكن الباحثون من إيجاد طريقة لجعل النقل الآني الكمي ممكنًا من خلال الشبكات الموجودة، وخاصة شبكات الألياف الضوئية، التي تشكل العمود الفقري لمعظم أنظمة الاتصالات الحديثة، مع بعض التعديلات والتطورات الضرورية.

الدراسة التي نشرت في… مجلة البصريات العلمية وسيفتح هذا الإنجاز آفاقًا جديدة نحو دمج الاتصالات الكمومية في البنية التحتية الحالية للإنترنت، مما يمهد الطريق لتطوير شبكات اتصالات لحظية وأكثر كفاءة وأمانًا دون الحاجة إلى إنشاء شبكات مخصصة.

لكن ما هو (الانتقال الكمي)، وكيف تمكن الباحثون من التغلب على التحديات السابقة وتحقيق هذا الإنجاز، وما أهميته وتطبيقاته المستقبلية؟

الحوسبة الكمومية:

في السنوات الأخيرة، استحوذت الحوسبة الكمومية على اهتمام الباحثين وشركات التكنولوجيا على حد سواء، حيث ينظر إليها على أنها فرصة واعدة لتحقيق نقلة نوعية في معالجة البيانات المعقدة للغاية، وإنجاز هذه المعالجة في أوقات قياسية.

ويكمن الاختلاف الأساسي بين أجهزة الكمبيوتر الكمومية وأجهزة الكمبيوتر التقليدية -الموجودة حاليا في المنازل والشركات- في طريقة تمثيل البيانات ومعالجتها، حيث تعتمد أجهزة الكمبيوتر التقليدية على النظام الرقمي الثنائي، الذي يقيس البيانات بوحدة تسمى (البت)، وهي أصغر وحدة لقياس حجم البيانات حاليًا، وتحمل (البت هو واحد فقط من قيمتين: إما صفر (0) أو واحد (1)، ولا يمكنه الاحتفاظ بالقيمتين في نفس الوقت. ويحد هذا القيد قدرة أجهزة الكمبيوتر التقليدية على معالجة بعض المشاكل المعقدة.

بينما تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية وحدة قياس مختلفة للبيانات تعرف باسم الكيوبت، فإن الكيوبت يتميز بقدرته الفريدة على حمل قيمة واحدة (0 أو 1) أو حمل القيمتين في نفس الوقت، وهذا هو السر وراء قوة أجهزة الكمبيوتر الكمومية وقدرتها على معالجة كميات هائلة من البيانات. يتم إنشاء البيانات في غضون ساعات قليلة، في حين أن أقوى أجهزة الكمبيوتر التقليدية قد تستغرق سنوات عديدة لإنجاز نفس المهمة.

النقل الكمي:

يعتمد النقل الآني الكمي على ظاهرة فيزيائية كمومية تُعرف باسم التشابك الكمي. وفي هذه الظاهرة، يرتبط جسيمان أو أكثر ارتباطًا وثيقًا، بحيث تصبح خصائصهم الكمومية مترابطة، بغض النظر عن المسافة التي تفصل بينهم.

وهذا يعني أن قياس حالة أحد الجسيمين يؤثر بشكل فوري على حالة الجسيم الآخر، حتى لو كان على بعد ملايين الكيلومترات. في سياق النقل الآني الكمي، لا يتم نقل الجسيم نفسه فعليًا، بل يتم نقل الحالة الكمية التي يحملها.

في حين أن الاتصالات الكلاسيكية تتكون من ملايين الجسيمات الضوئية، فإن الاتصالات الكمومية تستخدم أزواجًا من الفوتونات الفردية (جسيمات الضوء) المتشابكة. في السابق، كان الاعتقاد بين الباحثين هو أن هذه الفوتونات الفردية ستواجه صعوبة بالغة في المرور عبر قنوات الاتصال الكلاسيكية المزدحمة، والتي تنقل ملايين الفوتونات في نفس الوقت. وقد تم تشبيه هذا الوضع بدراجة نارية صغيرة تحاول أن تشق طريقها بين شاحنات ضخمة في نفق مزدحم.

لكن فريقاً من الباحثين في جامعة نورث وسترن في الولايات المتحدة، بتمويل من وزارة الطاقة الأميركية، تمكن من إيجاد حل لهذه المشكلة. تمحور عمل الفريق حول دراسة كيفية انتشار الضوء داخل كابلات الألياف الضوئية.

الخبرة العملية:

أجرى فريق البحث تجربة على كابل ألياف ضوئية يبلغ طوله 30 كيلومترًا، يرسل معلومات كمومية باستخدام فوتونات مفردة، بالتزامن مع حركة الإنترنت التقليدية التي تتكون من ملايين الجزيئات الضوئية.

وكان التحدي الرئيسي هو التأكد من أن الفوتونات المنفردة التي تحمل معلومات كمومية لا تتداخل مع الكمية الهائلة من جسيمات الضوء في حركة المرور التقليدية. وقد تغلب الباحثون على هذا التحدي من خلال:

• اختيار الطول الموجي الأمثل: اختار الباحثون طولًا موجيًا محددًا للضوء حيث يكون التداخل مع حركة المرور التقليدية في حده الأدنى، مما يسهل مرور الفوتونات الكمومية.
• استخدم مرشحات خاصة: واستخدم الباحثون مرشحات خاصة لتقليل الضوضاء والتداخل الناتج عن حركة الإنترنت العادية داخل الكابل، مما يحافظ على جودة الإشارة الكمومية.

وأظهرت نتائج التجربة نجاحا مبهرا، حيث تم نقل المعلومات مع الحفاظ على نوعية جيدة من المعلومات الكمومية عند الطرف المتلقي، على الرغم من وجود حركة مرور الإنترنت المزدحمة التي تمر عبر الكابل في نفس الوقت. ويعد هذا الإنجاز خطوة مهمة نحو تطوير شبكات اتصالات كمومية عملية وقابلة للتطبيق على نطاق واسع، حيث يمكن استخدام البنية التحتية للشبكة الحالية مع بعض التعديلات.

وذكر البروفيسور بريم كوماروقال من جامعة نورث وسترن في الولايات المتحدة، ورئيس فريق البحث: “هذا أمر مثير للغاية لأنه لم يعتقد أحد أن ذلك ممكن”.

وأضاف كومار: “يُظهر عملنا طريقًا نحو الجيل التالي من الشبكات الكمومية والكلاسيكية التي تشترك في بنية تحتية موحدة للألياف الضوئية”. “في الأساس، فإنه يفتح الباب لدفع الاتصالات الكمومية إلى المستوى التالي.”

وأشار الأستاذ جيم الخليليالفيزيائي والكاتب والمذيع العراقي البريطاني الذي لم يشارك بشكل مباشر في الدراسة، في مقابلته مع (بي بي سي العلوم التركيز)، مؤكداً أهمية هذا الإنجاز وتزامنه مع إعلان الأمم المتحدة لعام 2025 السنة الدولية لعلوم وتكنولوجيا الكم.

وأوضح البروفيسور الخليلي أن النقل الآني الكمي قد تم إثباته من قبل، ولكن ضمن ظروف مخبرية محكمة ودقيقة للغاية. المشكلة الرئيسية هي أن الجسيمات المتشابكة الكمومية، والتي تستخدم لنقل المعلومات من مسافة بعيدة، سرعان ما تتشابك مع أي شيء آخر على طول طريقها، مما يؤدي إلى… إلى فقدان المعلومات الكمومية.

وبحسب الخليلي، فإن هذا الإنجاز العلمي يعد أول إثبات للانتقال الكمي للفوتونات المتشابكة عبر الألياف الضوئية المزدحمة التي تحمل حركة الاتصالات التقليدية.

أهمية الإنجاز وتطبيقاته المستقبلية:

• شبكات الجيل القادم: يمهد هذا الاكتشاف الطريق نحو تطوير الجيل التالي من الشبكات الكمومية والكلاسيكية التي تشترك في بنية تحتية موحدة، مما يعزز كفاءة الاتصالات وسرعتها.
• التشفير الكمي: يمكن استخدام النقل الآني الكمي لتطوير أنظمة تشفير آمنة للغاية يصعب اختراقها.
• تطور الإنترنت الكمي: وقد يساهم هذا الاكتشاف في بناء الإنترنت الكمي، وهو مفهوم ثوري يهدف إلى استخدام مبادئ ميكانيكا الكم لإنشاء شبكة اتصالات أكثر قوة وأمانًا من الإنترنت الحالي.

الفرق بين الإنترنت الحالي والإنترنت الكمي:

الخطوات المستقبلية:

ويخطط فريق البحث في جامعة نورث وسترن بقيادة البروفيسور كومار لاختبار النقل الآني الكمي على مسافات أطول، بالإضافة إلى تجربة استخدام زوجين من الفوتونات المتشابكة بدلاً من واحد، مما سيؤدي إلى اختراق آخر في النقل الآني الكمي المعروف باسم مبادلة التشابك. وهي عملية يتشابك فيها جزيئين لم يتفاعلا من قبل، وهو أمر مهم لتحسين جودة وسلامة انتقال العدوى.

الخطوة الأخيرة للفريق هي اختبار كل شيء في كابلات حقيقية تحت الأرض، وهي الخطوة الأخيرة قبل دمج هذه التكنولوجيا بالكامل في شبكات الاتصالات الحالية.

نسخ الوصلة تم نسخ الرابط