يصف الباحثون مصدرًا جديدًا لفوتون متفرد عالي النقاء، يمكن أن يعمل في درجة حرارة الغرفة. يُعد المصدر خطوةً مهمة نحو التطبيقات العملية لتقنية الكم، مثل الاتصال عالي الأمان المستند إلى توزيع المفتاح الكمي.
قالت هيلين زينج، عضو فريق البحث من جامعة سيدني للتكنولوجيا في أستراليا: «استحدثنا طريقةً لتوليد فوتونات عالية النقاء حسب الطلب، في نظام قابل للتطوير والتنقل ويعمل في حرارة الغرفة. بوسع مصدر الفوتون المتفرد ترقية أنظمة توزيع المفتاح الكمي، وأن يُطوَّع في تطبيقات شتى على أرض الواقع، منها تلك المرتكزة على البصريات الكمومية».
وصفت زينغ وزملاؤها من جامعة نيو ساوث ويلز الأسترالية وجامعة ماكواري مصدرهم الجديد للفوتونات المتفردة، أنه قد يُنتج أكثر من عشرة ملايين فوتون متفرد في الثانية في درجة حرارة الغرفة. وقد دمجوا مصدر الفوتونات المتفردة في جهاز قابل للتنقل، قادر على تطبيق توزيع المفتاح الكمي.
يجمع مصدر الفوتونات المتفردة الجديد مادة ثنائية الأبعاد تسمى نيتريد البورون السداسي مع مكون بصري يُعرف باسم العدسة الشيئية المغمورة بالزيت، وهي عدسة شبه كروية، ما يزيد من كفاءة المصدر ستة أضعاف.
فوتونات متفردة في حرارة الغرفة
توفر تقنية توزيع المفتاح الكمي تشفيرًا لا يُخترق للبيانات المراد نقلها، باستخدام الخصائص الكمومية للضوء، لإنشاء مفاتيح عشوائية آمنة لتشفير البيانات وفك تشفيرها. تتطلب أنظمة توزيع المفتاح الكمي مصادر قويةً ومتوهجة ينبعث منها الضوء سلسلةً من الفوتونات المتفردة. لا تعمل معظم مصادر الفوتونات المتفردة على نحو جيد ما لم تُشغل في درجات حرارة شديدة البرودة، تصل إلى مئات الدرجات تحت الصفر، ما يجعلها غير عملية.
رغم استخدام نيتريد البورون السداسي سابقًا لإنشاء مصدر فوتونات متفردة يعمل في درجة حرارة الغرفة، لم يتمكن الباحثون من تحقيق الكفاءة اللازمة للتطبيق على أرض الواقع. قالت زينج: «تعتمد معظم الأساليب المستخدمة لتحسين مصادر الفوتونات المتفردة، القائمة على نيتريد البورون السداسي، على ضبط موضع الباعث بدقة أو تطبيق التصنيع بالحجم النانوي. ما يجعل الأجهزة معقدة وصعبة التطوير، ويصعب إنتاجها بكميات كبيرة».
شرعت زينج وزملاؤها في إيجاد حل أفضل باستخدام عدسة شيئية مغمورة بالزيت لتركيز الفوتونات القادمة من باعث الفوتون المتفرد، ما يسمح بالتعرف على المزيد من الفوتونات. هذه العدسات متوفرة تجاريًا وسهلة التصنيع.
دمج الباحثون مصدر الفوتونات المتفردة الجديد مع مجهر محمول بؤري، مصمم خصوصًا لقياس الفوتونات المتفردة في درجة حرارة الغرفة، وبذلك خلقوا نظامًا قادرًا على إجراء توزيع المفتاح الكمي. يُوضع مصدر الفوتونات المتفردة والمجهر متحد البؤر داخل حزمة قوية تبلغ أبعادها 500 × 500 مليمتر فقط، وتزن نحو 10 كغم. صُممت الحزمة أيضًا للتعامل مع الاهتزاز والضوء الشارد.
قالت زينج: «أجهزتنا المبسطة أسهل في الاستخدام وأصغر بكثير من الأجهزة الضوئية الثابتة التقليدية، التي غالبًا ما تشغل مختبرات كاملة. وهكذا تنال مجموعة الأجهزة بالنظام نصيبها من تقنيات الحوسبة الكمية. ويمكن أيضًا تكييف أجهزتنا المبسطة للعمل مع البنية التحتية الحالية للاتصالات السلكية واللاسلكية».
التشفير الكمي واقع ملموس
أظهرت اختبارات باعث الفوتونات المتفردة الجديد إمكانية تحقيق معدل تجميع يبلغ 107 هرتز مع الحفاظ على نقاء ممتاز، ما يعني أن كل نبضة لديها احتمالية منخفضة لاحتواء أكثر من فوتون واحد. وأظهر استقرارًا استثنائيًا على مدار ساعات عديدة من التشغيل المتواصل. أشار الباحثون إلى قدرة النظام على أداء توزيع المفتاح الكمي في ظل ظروف معقولة، إذ إن التوزيع الكمومي الآمن بمعدلات تكرار 20 ميجاهرتز، سيكون ممكنًا في مدى عدة كيلومترات.
بعد أن أثبت الباحثون قدرة أجهزتهم المحمولة على إجراء تشفير كمي معقد، سيُخضعونها لسلسلة من الاختبارات الإضافية، لقياس قوتها واستقرارها وكفاءتها في أثناء التشفير. ويخططون لاستخدام الباعث الجديد لأداء التوزيع الكمومي للمفاتيح في ظروف العالم الحقيقي، لا داخل المختبر. قال إيغور أهارونوفيتش قائد المشروع: «أصبحنا على مشارف تطويع هذه التطورات، المتعلقة بالمواد الكمومية ثنائية الأبعاد، لنُرسي بها أسس منتجات تكنولوجية جديدة».
اقرأ أيضًا:
كيف تُخلق الفوتونات في مصادر الضوء؟
ترجمة: عصماء عصمت
تدقيق: أكرم محيي الدين
