تمكن علماء المواد الذين يستكشفون كفاءة الفوتونات كناقلات للمعلومات من تطوير نموذج يشرح كيف تتغير فعالية تلك الجسيمات الضوئية عند أطوال موجية أعلى. وقد تؤثر نتائجهم بشكل كبير على تطوير اختراق تكنولوجي متوقع بشدة: شبكة اتصالات كمية.
إن الألياف الضوئية اليوم قادرة على نقل الفوتونات (جزيئات الضوء الفردية) بأقل قدر من الخسارة عند الأطوال الموجية المستخدمة في الاتصالات السلكية واللاسلكية. وفي النظام الكمومي، تعمل الفوتونات مثل البتات في الكمبيوتر الكلاسيكي.
ما علاقة الضوء بالإنترنت؟
إن شبكة الإنترنت الكمومية لم تظهر بعد، ولكن من المتوقع أن تشبه شبكة من أجهزة الكمبيوتر الكمومية التي تنقل المعلومات على هيئة بتات كمية، أو كيوبتات. وهذه البتات الكمومية عبارة عن جسيمات في حالات كمية، مما يسمح لها باحتواء معلومات أكثر من مجرد قيمة 0 أو 1، كما تفعل البتات الحاسوبية الكلاسيكية.
وكما ذكر موقع Gizmodo في تقرير سابق، فإن شبكة الإنترنت الكمومية لن تعمل بشكل مختلف كثيراً عن الإنترنت الذي يمكنك الوصول إليه من خلال متصفحك الحالي. ولكن من المفترض أن تسمح هذه التكنولوجيا بتشفير المعلومات بدرجة أكبر كثيراً من الأمان مقارنة بالمعلومات المتاحة على الإنترنت اليوم، وسوف تستخدم قواعد ميكانيكا الكم لتحقيق هذا الهدف.
ما لم يجد الباحثون؟
في ورقتهم البحثية الجديدة التي نشرت الشهر الماضي في APL فوتونيكس—يقدم الفيزيائيون نموذجًا يوضح دور اقتران الإلكترون بالفوتون في نوع من أجهزة إصدار الفوتون المفرد. ويقترح عملهم طرقًا لتحسين كفاءة أجهزة إصدار الفوتون هذه.
قال كريس فان دي والي، عالم المواد في جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا والمؤلف المشارك في البحث، في بيان جامعي: “تهتز الذرات باستمرار، ويمكن أن تؤدي هذه الاهتزازات إلى استنزاف الطاقة من باعث الضوء. ونتيجة لذلك، بدلاً من إصدار فوتون، قد يتسبب العيب في اهتزاز الذرات، مما يقلل من كفاءة انبعاث الضوء”.
وأشار الفريق إلى أنهم لا يعتقدون أنه تم اكتشاف مصدر فوتون واحد مناسب حتى الآن، لكنهم يعتقدون أنه سيكون لديه طاقة نقل تبلغ حوالي 1.5 إلكترون فولت.
“في ضوء الكفاءات الأعلى بكثير التي يمكن تحقيقها عند أطوال موجية أقصر، نقترح أنه إذا كانت هناك حاجة إلى أطوال موجية للاتصالات من أجل النقل في الألياف الضوئية، فيجب النظر في تحويل التردد الكمي إلى جانب التوليد المباشر”، كما كتب الفريق.
وقال مارك توريانسكي، الباحث في جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا والباحث الرئيسي في المشروع، في البيان نفسه: “إن اختيار المادة المضيفة بعناية، وإجراء هندسة على المستوى الذري للخصائص الاهتزازية هما طريقتان واعدتان للتغلب على انخفاض الكفاءة”.
وكتب الفريق أن هناك طريقة أخرى للتعامل مع انخفاض الكفاءة وهي الاقتران بتجويف فوتوني، وهي أداة يمكن استخدامها “لفتح نطاقات التردد التي يُحظر فيها انتشار الموجات الكهرومغناطيسية بغض النظر عن اتجاه الانتشار في الفضاء”، كما قال فريق آخر في معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات.
إننا بعيدون كل البعد عن الإنترنت الكمومي، ولكن الأساس الذي استند إليه كان مشروعًا يعود إلى العقد الماضي. ففي أوائل عام 2020، أصدرت وزارة الطاقة مخططها لبناء شبكة إنترنت كمومية وطنية، والتي قد تعمل، إلى جانب الاتصالات الكمومية الآمنة، على رفع مستوى الحوسبة الكمومية ومساعدة شبكات الاستشعار الحالية.
لا تحبس أنفاسك في انتظار المستقبل الكمومي – فسوف تتحول إلى اللون الأزرق – ولكن اعلم أن البحث الأساسي في علوم المواد والحاسوب اليوم يضع الأساس لنوع جديد كليًا من الاتصالات.