يعتمد مستقبل التقنيات الكمومية على استغلال مفاهيم ميكانيكا الكم الرائعة، مثل الحالات الكمومية ذات الأبعاد الأعلى. هذه الحالات هي مكونات أساسية لعلم المعلومات الكمومية وتكنولوجيا الكم. وللتلاعب بهذه الحالات، لجأ العلماء إلى الضوء، وتحديدًا خاصية تسمى الزخم الزاوي المداري (OAM)، والتي تتضمن كيفية التفاف الضوء ودورانه في الفضاء. وهنا تكمن المشكلة: لقد كان إنشاء فوتونات مفردة فائقة السطوع باستخدام OAM بطريقة حتمية مشكلة لا يمكن التغلب عليها. إن توليد حالات متشابكة شبه حتمية تعتمد على الزخم الزاوي المداري يوفر جسرًا بين التقنيات الضوئية للتقدم الكمي.
النقاط الكمومية: تقنية الجسر
النقاط الكمومية (QDs) هي جسيمات صغيرة ذات إمكانات هائلة. قام فريق بحث من جامعة روما سابينزا، وجامعة باريس ساكلاي، وجامعة نابولي فيديريكو الثاني بدمج خصائص OAMs مع خصائص النقاط الكمومية لبناء جسر بين التقنيتين المتطورتين. تم نشر نتائج أبحاثهم في مجلة Advanced Photonics الخاضعة لمراجعة النظراء.
المخطط المفاهيمي للبروتوكول المقترح. من خلال معالجة الاستقطاب وOAM للفوتونات المفردة الناتجة عن مصادر الضوء QD بطريقة شبه حتمية، تتفاعل درجتا الحرية من خلال لوحة q لإنتاج حالات متشابكة داخل الجسيمات. في آلية الجسيمات البينية، يتداخل فوتونان، يتميزان بحالات محددة في مساحة مختلطة تتكون من الاستقطاب وOAM، من خلال مقسم الحزمة. وباختيار عدد المصادفات تم تنفيذ بوابة التشابك الاحتمالية. المصدر: أليسيا سوبرانو
أين الابتكار؟ يمكن استخدام الجسر الذي بنوه بمرونة لغرضين. أولاً، يمكنها إنشاء فوتونات مفردة نقية متشابكة داخل مساحة استقطاب OAM، والتي يمكن للباحثين عدها مباشرة. ثانيًا، يمكن لهذا الجسر أيضًا إنشاء أزواج فوتونية مرتبطة بقوة في العالم الكمي. إنهما متشابكتان، لذا لا يمكن وصف حالة كل فوتون بشكل مستقل عن حالة الفوتون الآخر، حتى لو كانا متباعدين. وهذا له آثار كبيرة على الاتصالات الكمومية والتشفير.
تتمتع هذه المنصة الجديدة بالقدرة على إنشاء حالات متشابكة هجينة داخل الجسيمات وفيما بينها، وجميعها تنتمي إلى فضاء هيلبرت عالي الأبعاد. فمن ناحية، حقق فريق البحث توليد فوتونات مفردة نقية تظهر حالاتها الكمومية عدم الانفصال داخل مجال استقطاب OAM الهجين. من خلال استخدام مصدر كمي حتمي تقريبًا مع لوحة q، وهو جهاز قادر على ضبط قيم OAM بناءً على استقطاب الفوتون الواحد، يمكن للباحثين التحقق مباشرة من هذه الحالات من خلال عد الفوتون الواحد، وبالتالي تجنب الحاجة إلى عملية تنذر وزيادة معدل التوليد.
من ناحية أخرى، استخدم فريق البحث أيضًا مفهوم عدم الانفصال داخل الفوتونات المفردة كمورد لتوليد أزواج فوتون مفرد متشابكة داخل مساحة استقطاب OAM الهجين.
وعلق البروفيسور فابيو سيارينو، مدير مختبر المعلومات الكمية التابع لقسم الفيزياء بجامعة روما سابينزا: "يمثل الحل المرن المقترح خطوة إلى الأمام لتجارب الفوتون المتعددة عالية الأبعاد، ويمكن أن يوفر منصة مهمة للأبحاث الأساسية وتطبيقات الفوتون الكمي".
التأثير على تكنولوجيا الكم
في الأساس، يمثل هذا البحث خطوة مهمة في السعي وراء تقنيات الكم المتقدمة. إنه مثل ربط مدينتين كبيرتين. يفتح هذا الاتصال إمكانيات مثيرة للحوسبة الكمومية والاتصالات والمزيد. إذن هذا ليس مجرد علم، إنه المستقبل.