الاتصالات الكمومية: الجزيئات والأتربة النادرة والبصريات

تكنولوجيا المعلومات الكمومية هي تكنولوجيا معلومات جديدة تعتمد على ميكانيكا الكم، والتي تقوم بتشفير وحساب ونقل المعلومات المادية الموجودة فيالنظام الكميإن تطوير وتطبيق تكنولوجيا المعلومات الكمومية سيقودنا إلى "العصر الكمومي"، وتحقيق كفاءة عمل أعلى، ووسائل اتصال أكثر أمانًا، وأسلوب حياة أكثر راحة وصديقًا للبيئة.

تعتمد كفاءة الاتصال بين الأنظمة الكمومية على قدرتها على التفاعل مع الضوء. ومع ذلك، من الصعب جدًا العثور على مادة يمكنها الاستفادة الكاملة من الخصائص الكمومية للبصريات.

مؤخرًا، أثبت فريق بحثي من معهد الكيمياء في باريس ومعهد كارلسروه للتكنولوجيا إمكانية استخدام بلورة جزيئية مصنوعة من أيونات اليوروبيوم الأرضية النادرة (Eu³ +) في تطبيقات الأنظمة الكمومية للبصريات. ووجدوا أن الانبعاث فائق الضيق لهذه البلورة الجزيئية Eu³ + يُمكّن من التفاعل الفعال مع الضوء، وله قيمة مهمة فيالاتصالات الكموميةوالحوسبة الكمومية.

الشكل 1: الاتصالات الكمية القائمة على بلورات جزيئية من عنصر اليوروبيوم الأرضي النادر

يمكن تراكب الحالات الكمية، وبالتالي تراكب المعلومات الكمية. يمكن لبت كمومي واحد أن يمثل في آنٍ واحد مجموعة متنوعة من الحالات المختلفة بين 0 و1، مما يسمح بمعالجة البيانات بالتوازي على دفعات. ونتيجةً لذلك، ستزداد قوة الحوسبة في الحواسيب الكمومية بشكل كبير مقارنةً بالحواسيب الرقمية التقليدية. ومع ذلك، لإجراء عمليات حسابية، يجب أن يكون تراكب البتات الكمية قادرًا على الاستمرار بثبات لفترة زمنية محددة. في ميكانيكا الكم، تُعرف هذه الفترة من الاستقرار بفترة التماسك. يمكن للدوران النووي للجزيئات المعقدة أن يحقق حالات تراكب ذات أعمار جافة طويلة، لأن تأثير البيئة على الدوران النووي محمي بشكل فعال.

أيونات الأرض النادرة والبلورات الجزيئية نظامان يُستخدمان في تكنولوجيا الكم. تتميز أيونات الأرض النادرة بخصائص بصرية ودورانية ممتازة، ولكن يصعب دمجها فيالأجهزة البصرية. من السهل دمج البلورات الجزيئية، ولكن من الصعب إنشاء اتصال موثوق بين الدوران والضوء لأن نطاقات الانبعاث واسعة للغاية.

تجمع بلورات جزيئات العناصر الأرضية النادرة، المُطوّرة في هذا العمل، مزايا كليهما ببراعة، إذ يُمكن لـ Eu³+، عند إثارة الليزر، إصدار فوتونات تحمل معلومات حول الدوران النووي. ومن خلال تجارب ليزر مُحددة، يُمكن توليد واجهة فعّالة بين الدوران البصري والدوران النووي. وعلى هذا الأساس، تمكّن الباحثون من تحقيق معالجة مستوى الدوران النووي، والتخزين المتماسك للفوتونات، وتنفيذ أول عملية كمية.

لتحقيق كفاءة الحوسبة الكمومية، عادةً ما يتطلب الأمر وجود عدة كيوبتات متشابكة. وقد أثبت الباحثون أن Eu³ + في البلورات الجزيئية المذكورة أعلاه يُمكنه تحقيق التشابك الكمي من خلال اقتران المجال الكهربائي الشارد، مما يُمكّن من معالجة المعلومات الكمومية. ولأن البلورات الجزيئية تحتوي على عدة أيونات أرضية نادرة، يُمكن تحقيق كثافات كيوبتات عالية نسبيًا.

من متطلبات الحوسبة الكمومية الأخرى قابلية توجيه البتات الكمومية الفردية. يمكن لتقنية التوجيه الضوئي في هذا العمل تحسين سرعة القراءة ومنع تداخل إشارة الدائرة. وبالمقارنة مع الدراسات السابقة، فإن التماسك الضوئي لبلورات Eu³ + الجزيئية المذكورة في هذا العمل قد تحسن بنحو ألف ضعف، مما يسمح بتعديل حالات الدوران النووي ضوئيًا بطريقة محددة.

الإشارات الضوئية مناسبة أيضًا لتوزيع المعلومات الكمومية لمسافات طويلة، لربط الحواسيب الكمومية لأغراض الاتصالات الكمومية عن بُعد. ويمكن النظر أيضًا في دمج بلورات جزيئية جديدة من Eu³ + في البنية الفوتونية لتعزيز الإشارة الضوئية. يستخدم هذا العمل جزيئات الأرض النادرة كأساس للإنترنت الكمومي، ويمثل خطوة مهمة نحو هياكل الاتصالات الكمومية المستقبلية.