الاتصالات الكمومية: الجزيئات، والعناصر الأرضية النادرة، والبصريات

تكنولوجيا المعلومات الكمومية هي تكنولوجيا معلومات جديدة تعتمد على ميكانيكا الكم، والتي تقوم بتشفير المعلومات الفيزيائية الموجودة فيالنظام الكموميإن تطوير وتطبيق تكنولوجيا المعلومات الكمومية سيقودنا إلى "العصر الكمومي"، وسيحقق كفاءة عمل أعلى، وطرق اتصال أكثر أمانًا، وأسلوب حياة أكثر ملاءمة وصديقًا للبيئة.

تعتمد كفاءة التواصل بين الأنظمة الكمومية على قدرتها على التفاعل مع الضوء. ومع ذلك، من الصعب للغاية إيجاد مادة قادرة على الاستفادة الكاملة من الخصائص الكمومية للضوء.

أظهر فريق بحثي مشترك من معهد الكيمياء في باريس ومعهد كارلسروه للتكنولوجيا مؤخرًا إمكانات بلورة جزيئية قائمة على أيونات اليوروبيوم (Eu³⁺) في تطبيقات الأنظمة الكمومية البصرية. وقد وجدوا أن انبعاث الطيف فائق الدقة لهذه البلورة الجزيئية Eu³⁺ يُمكّن من التفاعل الفعال مع الضوء، وله قيمة مهمة فيالاتصالات الكموميةوالحوسبة الكمومية.

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

يمكن تراكب الحالات الكمومية، وبالتالي يمكن تراكب المعلومات الكمومية. يستطيع الكيوبت الواحد تمثيل مجموعة متنوعة من الحالات المختلفة بين 0 و1 في آنٍ واحد، مما يسمح بمعالجة البيانات بالتوازي على دفعات. ونتيجةً لذلك، ستزداد القدرة الحاسوبية للحواسيب الكمومية بشكلٍ هائل مقارنةً بالحواسيب الرقمية التقليدية. مع ذلك، ولإجراء العمليات الحسابية، يجب أن يستمر تراكب الكيوبتات بثبات لفترة زمنية محددة. في ميكانيكا الكم، تُعرف فترة الاستقرار هذه بعمر التماسك. تستطيع اللفات النووية للجزيئات المعقدة الوصول إلى حالات تراكب ذات أعمار جافة طويلة، وذلك لأن تأثير البيئة على اللفات النووية محجوبٌ بشكلٍ فعال.

تُعد أيونات العناصر الأرضية النادرة والبلورات الجزيئية نظامين استُخدما في تكنولوجيا الكم. تتميز أيونات العناصر الأرضية النادرة بخصائص بصرية ودورانية ممتازة، ولكن من الصعب دمجها فيالأجهزة البصرية. من الأسهل دمج البلورات الجزيئية، ولكن من الصعب إقامة اتصال موثوق بين الدوران والضوء لأن نطاقات الانبعاث واسعة جدًا.

تجمع البلورات الجزيئية للعناصر الأرضية النادرة، التي طُوّرت في هذا العمل، بين مزايا كليهما، حيث يمكن لأيون اليوروبيوم الثلاثي (Eu³⁺)، عند إثارته بالليزر، أن يُصدر فوتونات تحمل معلومات حول اللف المغزلي النووي. ومن خلال تجارب ليزرية محددة، أمكن توليد واجهة فعالة بين اللف المغزلي البصري والنووي. وبناءً على ذلك، حقق الباحثون معالجة مستويات اللف المغزلي النووي، والتخزين المتماسك للفوتونات، وتنفيذ أول عملية كمومية.

يتطلب الحوسبة الكمومية الفعالة عادةً وجود عدة كيوبتات متشابكة. وقد أثبت الباحثون أن أيونات اليوروبيوم الثلاثية (Eu³⁺) في البلورات الجزيئية المذكورة أعلاه قادرة على تحقيق التشابك الكمومي من خلال اقتران المجال الكهربائي المتسرب، مما يُمكّن من معالجة المعلومات الكمومية. ونظرًا لاحتواء هذه البلورات الجزيئية على أيونات متعددة من العناصر الأرضية النادرة، يُمكن تحقيق كثافات عالية نسبيًا من الكيوبتات.

من المتطلبات الأساسية للحوسبة الكمومية إمكانية التحكم في كل كيوبت على حدة. تُحسّن تقنية التحكم البصري المستخدمة في هذا العمل سرعة القراءة وتمنع تداخل إشارة الدائرة. وبالمقارنة مع الدراسات السابقة، فقد تحسّن التماسك البصري للبلورات الجزيئية لأيون اليوروبيوم الثلاثي (Eu³⁺) المذكورة في هذا العمل بنحو ألف ضعف، مما يسمح بالتحكم البصري في حالات الدوران النووي بطريقة محددة.

تُعدّ الإشارات الضوئية مناسبةً أيضًا لتوزيع المعلومات الكمومية لمسافات طويلة، ما يُتيح ربط الحواسيب الكمومية للتواصل الكمومي عن بُعد. ويمكن دراسة دمج بلورات جزيئية جديدة من أيونات اليوروبيوم الثلاثية (Eu³⁺) في البنية الفوتونية لتعزيز الإشارة الضوئية. يستخدم هذا العمل جزيئات العناصر الأرضية النادرة كأساس للإنترنت الكمومي، ويُمثّل خطوةً هامةً نحو تطوير بنى الاتصالات الكمومية المستقبلية.