الحوسبة
نقاط الكم ثنائية الفوتون السلبية تُمكّن الفوتونيات الآمنة
تلتزم Securities.io بمعايير تحريرية صارمة، وقد تتلقى تعويضات عن الروابط المُراجعة. لسنا مستشارين استثماريين مُسجلين، وهذه ليست نصيحة استثمارية. يُرجى الاطلاع على كشف التابعة لها.
كشف مهندسو جامعة إنسبروك، إلى جانب فريق من العلماء من عدة مؤسسات مرموقة، عن طريقة جديدة لإنشاء نقاط كمية ثنائية الحالة. هذه الابتكارات الفريدة قادرة على تحقيق حالة ثنائية الإكسيتون دون الحاجة إلى عناصر تبديل نشطة (EOMs)، مما يُمثل إنجازًا هامًا في مجال تقنيات الكم.
يجمع عمل الفريق سنواتٍ من البحث في مجال البصريات الكمومية، وفيزياء أشباه الموصلات، والهندسة الفوتونية، ليمهد الطريق أمام الجيل القادم من الحواسيب الكمومية والاتصالات. إليك ما تحتاج إلى معرفته.
الحوسبة الكمومية الفوتونية
تستخدم الحوسبة الكمومية الفوتونية فوتونات الضوء لتحقيق مستوى جديد من الأداء الحسابي. تعمل هذه الأنظمة عن طريق نقل الفوتونات عبر عناصر بصرية مصممة خصيصًا. تُمكّن هذه المكونات الجهاز من حساب الخوارزميات بشكل أسرع بكثير من أساليب الحوسبة الكمومية الأخرى.
ومن الجدير بالذكر أن شركة الفوتونيات Xanadu أعلنت فجر في 22 يناير 2025، تم إطلاق نموذج أولي فوتوني معياري مترابط شبكيًا، مبني من أربع وحدات مثبتة على رفوف متصلة عبر الألياف (12 كيوبتًا ماديًا، 35 شريحة، حوالي 13 كيلومترًا من الألياف). يُظهر هذا النموذج مسارًا عمليًا نحو قابلية التوسع، وليس التسامح مع الأخطاء.
وعلى الرغم من أدائها الأفضل، لا تزال Aurora عرضة للعديد من العوائق التقليدية التي تعترض الحوسبة الكمومية، بما في ذلك التكاليف المرتفعة والمتطلبات التقنية والأجهزة المتخصصة.
المصدر - جامعة انسبروك
لماذا تُعد النقاط الكمومية مصادر مثالية للفوتونات الفردية؟
للتغلب على هذه العقبات، بدأ المهندسون البحث في النقاط الكمومية. تستطيع هذه الأشباه الموصلة توفير توليد حتميّ لحالات متعددة الفوتونات، مما يجعلها اللبنات الأساسية المثالية للبتات الكمومية في تطبيقات الحوسبة الكمومية.
تجدر الإشارة إلى أن النقاط الكمومية هي بنى نانوية. غالبًا ما يقل حجمها عن 10 نانومتر، أي ما يعادل حوالي 1/10,000 من حجم شعرة الإنسان. تتميز هذه الوحدات المجهرية بخصائص أساسية، مثل القدرة على إصدار فوتونات مفردة عند الطلب، مما يجعلها مثالية للتطبيقات الكمومية.
لإثارة النقاط الكمومية، يستخدم المهندسون طريقة إثارة بصرية تعتمد على وحدات تبديل استقطاب نشط فائقة السرعة. ينتج عن هذا الإجراء حالة تعدد الفوتونات التي تجعل هذه الوحدات مكونات أساسية في أحدث أجهزة التصوير الطبي، والمجاهر، والخلايا الشمسية من الجيل التالي، ومصابيح LED، والليزر، والحواسيب الكمومية، وغيرها.
لماذا يحد إلغاء تعدد إرسال EOM النشط من قابلية التوسع في QD
من أكبر مشاكل النقاط الكمومية اليوم أن كل نقطة فريدة، إذ تُصدر لونًا مختلفًا قليلًا. لذا، يلزم استخدام وحدات عالية التقنية لضمان توليد فوتونات متعددة. هذه الأجهزة معقدة ومكلفة، كما تتطلب مهندسين متخصصين لتشغيلها.
من العوامل المُقيِّدة الأخرى أداء هذه المفاتيح. فحتى الآن، كانت جميع المفاتيح محدودة بخصائص تصميمها المادية. تتميز هذه الأجهزة بسرعات تحويل قصوى، لكنها قد تتباطأ مع مرور الوقت مع تقادم المعدات. وقد أدت هذه السيناريوهات إلى انخفاض غير مرغوب فيه في الأداء وانخفاض في الكفاءة.
دراسة جديدة: حالات فوتونية ثنائية مُفككة سلبية من نقطة كمية واحدة
عمل علماء جامعة إنسبروك مع فريق من المهندسين من جميع أنحاء العالم لإكمال دراسة "توليد حالة فوتونين منزوعة الإرسال السلبي من نقطة كمية".1 نُشرت هذه الدراسة في المجلة العلمية npj Quantum Information هذا الشهر.
يصف البحث تقنيةً لفك تعدد إرسال النقاط الكمومية السلبية، تُحسّن الأداء والاستقرار مقارنةً بسابقاتها. ويُظهر عملهم طريقةً أكثر استقرارًا وقابليةً للتطوير وكفاءةً لإنتاج نقاط كمومية عالية الأداء، والتي قد تُشغّل أحدث تقنيات المستقبل.
الإثارة ثنائية الفوتون المحفزة (sTPE): الفكرة الأساسية
يعتمد هذا العمل على تقنية بصرية تُسمى الإثارة ثنائية الفوتون المُحفَّزة. تُمكّن هذه العملية الباحثين من توجيه النقطة الكمومية بدقة إلى كيفية إصدار الضوء وتوقيته، مما يُتيح إثارةً محدودةً فقط بعمر النقطة الكمومية، وليس بأداء الأجهزة.
كجزء من عملية الإثارة، عدّل المهندسون نبضات الليزر بدقة لتوليد تيارات فوتونية في حالات استقطاب مختلفة. والجدير بالذكر أن هذه الطريقة تُلغي الحاجة إلى أجهزة إضافية مثل مكونات التبديل النشط.
يُذكر أن هذا النهج يُولّد إثارة مباشرة من نقطة كمومية دون الحاجة إلى أي مكونات تبديل نشطة. يجمع النهج الجديد بين تشكيل نبضات الليزر، وتوليد أزواج نبضية مُصمّمة للاستقطاب، ومجهر مُبرّد، وذلك لإزالة العديد من العوائق التقنية التي كانت تعيق محاولات إثارة النقاط الكمومية السابقة.
مرر للتمرير →
| البعد | إزالة التعدد النشط (EOMs) | إزالة التعدد السلبي لـ sTPE (هذه الدراسة) |
|---|---|---|
| المكونات الرئيسية | المعدلات الكهروضوئية، محركات عالية السرعة | ليزر تيتانيوم: سافير، مشكلتان نبضيتان 4f، PBS، تأخير الألياف، جهاز تبريد |
| حد معدل التبديل | سرعة أجهزة EOM | عمر الإكسيتون (معدل جيجاهرتز ممكن) |
| فقدان الفوتون | خسارة إدراج شائعة ببضعة ديسيبل | أقل: تم نقل demux إلى مرحلة الإثارة |
| السيطرة على الاستقطاب | بعد الانبعاث عن طريق التبديل | عند المصدر (يتم ضبط H/V بواسطة نبضة التحفيز) |
| التكلفة/التعقيد | عالية (مخصصة، سريعة EOMs) | أقل؛ تحولات التعقيد إلى تشكيل النبض |
داخل الإعداد: الأطوال الموجية والتأخيرات والتحكم في الاستقطاب
الخطوة الأولى في هذه العملية هي عزل النقاط الكمومية. بعد ذلك، يُسلط ليزر فيمتوثانية Ti:Sapphire على شكل نبضات عند رنين يبلغ 780.3 نانومتر. يبدأ مُشكِّلا نبضات 4f في التشكيل الطيفي للنقاط الكمومية، مما يدفعها إلى حالة ثنائي الإكسيتون، ويحفز انبعاثات الفوتونات.
كجزء من العملية، يعمل مُقسِّم الشعاع المستقطب (PBS) بالتناغم مع مُولِّد أزواج النبضات المُصمَّم خصيصًا لإنتاج فوتونات مُستقطبة H وV. والجدير بالذكر أن المهندسين استخدموا مُؤخِّرًا للألياف البصرية، وكواشف، ومقاييس تداخل لضمان دقة تتبع فروق التوقيت بين الحالات.
مرر للتمرير →
| معامل | القيمة (المبلغ عنها) | ملاحظة |
|---|---|---|
| الليزر | Ti:Sapphire، ~782 نانومتر المركز | نبضات فيمتو ثانية مُشكَّلة عبر خطوط 4f المزدوجة |
| إثارة فوتونين (TPE) | 780.3 نانومتر | يقود biexciton |XX⟩ |
| تحفيز النبض | 781.3 نانومتر، يصل بعد حوالي 6 بيكو ثانية من TPE | تعيين انبعاث H/V عند المصدر |
| فصل أزواج النبضات | ~2 نانوثانية | نافذة إزالة التعدد الزمني |
| درجة الحرارة | ~4 كيلو | المجهر المبرد |
| نظام المواد | نقاط الجودة GaAs/AlGaAs (MBE + حفر القطرات المحلية) | حسب الطرق |
النتائج التجريبية: النقاء، وHBT، ومخرجات الفوتونين
لاختبار مفهومهم، بدأ الفريق بإنشاء نقاط كمية. تصف الورقة البحثية كيفية إنتاج عينة من نقاط كمية من GaAs/AlGaAs باستخدام تقنية التراكب الشعاعي الجزيئي مع نقش القطرات الموضعي كجزء أول من مرحلة الاختبار.
من هناك، أجرى المهندسون عدة اختبارات لقياس أداء وجودة النقاط الكمومية، بما في ذلك تسجيل نقاء الفوتون الواحد لانبعاثات الإكسيتون. أُجريت هذه الاختبارات باستخدام مقسم شعاع ألياف وأجهزة مسح حساسة.
دوّن العلماء ملاحظات دقيقة تصف جودة الفوتونين المنفردين المستقلين والمستقطبين عموديًا. تطلبت هذه الخطوة من الفريق قياس دالة الارتباط من الدرجة الثانية للنقطتين.
لإنجاز هذه المهمة، قرر المهندسون استخدام نظام هانبري براون وتويس (HBT). صُمم هذا الاختبار خصيصًا لدراسة إحصائيات الفوتونات لمصادر ضوء مختلفة.
تُظهر نتائج اختبار النقاط الكمومية ثنائية الحالة واعدةً لهذه التقنية. ضبط الفريق نبضة التحفيز لتصل بعد نبضة TPE بحوالي 6 بيسكول، وأظهروا أن معدل التبديل محدود بعمر الإكسيتون وليس بعتاد EOM. أكدت هذه النتيجة اعتقاد المهندسين بأن طريقتهم الجديدة مقيدة فقط بعمر النقاط الكمومية، وليس بقدرات التبديل في العتاد.
أهمية تقنية QKD والتداخل متعدد الفوتونات
تُقدّم هذه الدراسة فوائد عديدة للسوق. من بينها أنها تفتح الباب لفهم أعمق للحوسبة الكمومية وقدراتها. وقد يُسهم هذا الاكتشاف في دفع عجلة الابتكارات في مجال البصريات الكمومية، وفيزياء أشباه الموصلات، والهندسة الفوتونية.
أسرع: تشغيل بمعدل جيجاهرتز محدود بواسطة Exciton Lifetime
يُنتج هذا النهج نقاطًا كمية قابلة للاستخدام أسرع من الطرق التقليدية التي تتطلب تخصيص معدات تحويل خاصة وضبطها بدقة. تُحفّز هذه الاستراتيجية النقاط الكمية مباشرةً باستخدام الليزر بدلًا من الإلكترونيات.
أرخص: لا توجد رسوم نهاية الخدمة، وخسارة أقل وتعقيد
كما أن التخلص من معدات التبديل السابقة يُقلل التكاليف الإجمالية لإنتاج النقاط الكمومية. وقد ساهم تطوير هذه الأجهزة وتشغيلها وصيانتها في زيادة التكاليف الإجمالية لأبحاث الحاسوب الكمومي.
التطبيقات (QKD، مراقبة الجودة الفوتونية) والجدول الزمني الواقعي
هناك تطبيقات متعددة لنقاط الحاسوب الكمومي ثنائية الحالة اليوم. تُمثل هذه الوحدات نقلة نوعية في تقنيات الكم. ومن المتوقع أن تُسهم هذه العملية في دفع عجلة الابتكار في العديد من القطاعات، ودفع عجلة تبني هذه التقنية الرائدة.
البحث: تداخل الفوتونات المتعددة ومعايرة المصدر
من أهم تطبيقات هذه الدراسة أنها ستدفع عجلة الابتكار في قطاع الحوسبة الكمومية. وسيساعد هذا التطور الأخير في تعزيز التجارب المستقبلية في مجال التداخل متعدد الفوتونات، مما يُعمّق فهم العلماء للمبادئ الأساسية التي تحكم ميكانيكا الكم.
الاتصالات الآمنة: توزيع مفاتيح الكم متعدد الأطراف والشبكات
من التطبيقات الرئيسية الأخرى لهذه التقنية قطاع الاتصالات. تَعِد الاتصالات الكمومية بتوفير أمان عالٍ، وقدرات هائلة لنقل البيانات، وتكاليف أقل. تُتيح شبكات الاتصالات فائقة الأمان هذه اتصالات شبه آنية مع مصادر متعددة في آنٍ واحد.
الجدول الزمني للتبني: من العروض التجريبية إلى التجارب الميدانية
قد يستغرق الأمر حوالي عشر سنوات قبل أن تصل هذه التقنية إلى عامة الناس. يرى الكثيرون أن الحواسيب الكمومية هي التطور الطبيعي للحوسبة. ومع ذلك، فهي لا تزال باهظة الثمن وتتطلب معدات مثل غرف التبريد، والتي لا تزال خارج نطاق ميزانية معظم الناس.
باحثون في مجال النقاط الكمومية ثنائية الحالة
استضافت مجموعة الفوتونيات في قسم الفيزياء التجريبية بجامعة إنسبروك دراسة النقاط الكمومية ثنائية الحالة. وتضمنت الدراسة أيضًا مشاركين من جامعة كامبريدج، وجامعة يوهانس كيبلر في لينز، ومؤسسات أخرى.
على وجه التحديد، كان فيكاس ريميش الباحث الرئيسي في الدراسة. وتلقى مساعدة إضافية من جريجور وايس، ويوسف كارلي، وإيكر أفيلا أريناس. وجاء تمويل الدراسة من صندوق العلوم النمساوي (FWF)، والوكالة النمساوية لتشجيع البحوث (FFG)، وبرامج البحث التابعة للاتحاد الأوروبي.
ما هو التالي: النقاط الهندسية ذات الاستقطاب الخطي التعسفي
مستقبل النقاط الكمومية ثنائية الحالة واعدٌ للغاية. فقد شهدت هذه التقنية أبحاثًا متسارعة عقب الإطلاق الناجح لحاسوب أورورا هذا العام. يسعى هذا الفريق الآن إلى إنشاء نقاط هندسية عالية الأداء ذات حالات استقطاب خطي عشوائية.
الاستثمار في الحوسبة الكمومية
هناك العديد من الشركات الرائدة في قطاع الحواسيب الكمومية. تواصل هذه الشركات استثمار الملايين في البحث والتطوير، على أمل جعل هذه التقنية أكثر سهولةً وكفاءةً في المستقبل. إليكم شركةً تواصل الابتكار بطرق جديدة ومثيرة.
شركة الحوسبة الكمومية
شركة Quantum Computing Inc.، ومقرها فيرجينيا. (QUBT ) دخلت الشركة السوق عام ٢٠١٨ بهدف دفع عجلة تقنيات الكمّ وتبنيها. حظيت الشركة بدعم فوري من المستثمرين، وفي عام ٢٠٢١، أُدرجت في بورصة ناسداك. واليوم، تُعدّ الشركة مزوّدًا رائدًا لأجهزة وبرامج الحوسبة الكمّية.
(QUBT )
تقدم شركة Quantum Computing Inc. حاليًا العديد من حلول الحوسبة الكمومية. على سبيل المثال، يُمكن لنظام Qatalyst إكمال خوارزميات مالية ولوجستية معقدة، مما يمنح المستخدمين ميزة تنافسية. كما تُتيح الشركة الوصول إلى حاسوبها الفوتوني الخزاني، القادر على حل أعقد المعادلات باستخدام فوتونات الضوء.
أحدث أخبار وتطورات أسهم شركة Quantum Computing Inc. (QUBT)
استنتاجات حول النقاط الكمومية ثنائية الحالة
تُسلّط دراسة النقاط الكمومية ثنائية الحالة الضوء على كيف يُمكن لجهود التعاون بين المؤسسات العلمية الرائدة أن تُسهم في حل بعضٍ من أكثر مشاكل العالم تطورًا. من المُنتظر أن تُعيد الحوسبة الكمومية صياغة المستقبل بطرقٍ عديدة، وقد بذل هؤلاء المهندسون جهودًا كبيرةً لضمان وصول هذه الأجهزة إلى مستويات أداء جديدة. لهذه الأسباب، ولأسبابٍ أخرى كثيرة، يستحق هؤلاء العلماء كل التقدير.
تعرف على المزيد حول الاكتشافات الأخرى في مجال الحوسبة اضغط هنا.
المراجع:
1. كارلي، ي.، أفيلا أريناس، آي.، شيمبف، سي. وآخرون. توليد حالة فوتونية سلبية من نقطة كمية. npj الكم إنف 11، 139 (2025). https://doi.org/10.1038/s41534-025-01083-0
