أعلن علماء أوروبيون عن إحراز تقدم كبير في جهودهم لإنشاء جهاز شبكة سيصبح لبنة البناء الأساسية للإنترنت الكمومي.
وتتوقع صناعة الحوسبة الكمومية الناشئة استخدام مثل هذه الشبكات لتوزيع المعالجة عبر أجهزة كمبيوتر متعددة حيث تكون ضعيفة للغاية، وبالتالي الوفاء بالوعد الذي قطعته لحل المشكلات الصعبة في مجالات مثل الطب.
ومع ذلك، فإن بناء شبكات كمومية، حتى ولو كانت قصيرة، قد قدّم للعلماء تحديات هندسية هائلة لدرجة أن التقدم الذي أحرزوه منذ المبادئ المعمارية للإنترنت الكمومي لم يكن كافيًا. أنشئت من الناحية النظرية لقد كان ربع قرن مضت شاقاً وتدريجياً.
وفي الوقت نفسه، كانت أحدث التطورات الهندسية عبارة عن تجارب معملية متواضعة ومقيدة للغاية، ابتكرها فيزيائيون أبحاث يقولون إن الأمر قد يستغرق سنوات عديدة قبل أن يصبح من الممكن تصنيع أجهزة الشبكات الكمومية تجاريًا التي يمكنها حمل المعلومات بشكل موثوق بما فيه الكفاية، وبإنتاجية كبيرة بما يكفي، للاتصالات في العالم الحقيقي.
ومع ذلك فقد قام فريق من العلماء المتمركز في إسبانيا بذلك ادعى لإظهار العمل معًا، لأول مرة، آليتين ستساعدان، عندما ينضج العلم، في بناء مكون واحد من المكرر الكمي. من المتوقع أن يعمل هذا الجهاز كموسع لخطوط الشبكة الكمومية، ويربطها بالاتصالات الأطول اللازمة لشبكات العالم الحقيقي.
وكان المكون الذي عرضوه عبارة عن جهاز ذاكرة يمكنه تخزين الكيوبتات، وهي حالة منطقية مشفرة، على سبيل المثال، في الجسيمات دون الذرية. لقد قدموه على أنه “المرشح الرئيسي” لمكرر قادر على إنتاجية عالية في العالم الحقيقي.
لقد فعلوا ذلك من خلال الجمع بين ثلاث عمليات حاسمة للذاكرة، وأظهروا أنهم يعملون معًا لأول مرة فيليسيان أباس، باحث ما بعد الدكتوراه ساعد في قيادة التجربة في معهد العلوم الضوئية (ICFO) في برشلونة.
أنشأت تجربتهم ما يعرف بالتشابك بين ذاكرتين كميتين، حيث قامت بتخزين تلك الحالة، ثم استعادتها عند الطلب، من خلال عملية تعدد الإرسال التي سمحت بإجراء ذلك بسرعة، مما أدى إلى زيادة إنتاجية الاتصال بالشبكة بشكل فعال.
وأخيرًا، أعلنت البيانات المستردة على خط منفصل من الألياف الضوئية. لقد أظهر بشكل فعال أساس طبقة البنية التحتية للشبكة الكمومية.
ما هي النظرية؟
تعد الذاكرات الذرية جزءًا مهمًا من بنية الشبكات الكمومية لأن الطبيعة الهشة والعابرة للمعلومات الكمومية تجعل من الصعب للغاية إرسال الكيوبتات المنطقية عبر مسافات طويلة. لا يمكن إرسال الكيوبتات المادية بشكل فعال على الإطلاق.
لكن سلسلة من الفوتونات – جسيمات الضوء – المنتشرة عبر سلسلة ملتصقة من اتصالات الشبكة القصيرة يمكنها نقل الحالة المنطقية المشفرة في كيوبت واحد. على الأقل، يمكن أن يحدث ذلك إذا كان كل زوج من الفوتونات على طول السلسلة متشابكًا ومخزنًا في الذاكرة لفترة كافية للتأثير على عملية الإرسال.
لكن التشابك حساس للغاية للضوضاء البيئية، لذلك تظل الفوتونات مقترنة فقط بشكل عابر، ويمكن توزيعها على مسافات قصيرة فقط. يعد هذا أمرًا حيويًا أيضًا، حيث تقوم الشبكة الكمومية بإعداد الفوتونات لنقل الكيوبتات عن طريق وضعها في حالة من التشابك. يؤدي ذلك إلى إنشاء البنية الأساسية – حيث يتم توزيع أزواج الفوتون المتشابكة بين نقاط نهاية الاتصال بحيث يمكن نقل الكيوبت بينهما.
يحاول باحثو الشبكات الكمومية إنشاء اتصالات أطول من خلال الانضمام إلى القفزات الأقصر. تقوم المكررات الكمومية عند المنعطفات المتجاورة بتوزيع أزواج الفوتون فيما بينها، بحيث يمتد كل زوج على شكل قفزة. تعمل المكررات بعد ذلك في انسجام تام لدمج السلسلة، مما يؤدي إلى إنشاء زوج واحد من الفوتونات المتشابكة بين نقاط نهاية الاتصال، ويكون جاهزًا لنقل الكيوبت على طوله.
تعد عملية نشر الأزواج المتشابكة في كل خطوة من خطوات الاتصال أمرًا صعبًا. كل اقتران غير مستقر، ويتشكل بعد عدد لا يحصى من عمليات إعادة المحاولة، مع خسائر متأصلة في الإجراءات والمكونات العديدة المعنية، بحيث عندما تقوم المكررات الكمومية بإنشاء زوج متشابك على طول القفزة، يجب عليها الاحتفاظ به في الذاكرة حتى يتم إنشاء السلسلة بأكملها.
وعندما يتم استخدام السلسلة بعد ذلك لنقل الكيوبت، يتم تدميرها. تتكون الشبكة من سلاسل متعددة، تم إنشاؤها بواسطة تدفقات مستمرة من الفوتونات، بحيث يكون هناك واحد جاهز لنقل الكيوبت عند الحاجة إليه.
ما هو الواقع؟
هذا هو الحال النظرية وراء العمل الذي قام به فريق ICFO: قاموا بتشابك ذاكرتين واحتفظوا بالحالة لمدة 24 ميكروثانية – 24 جزءًا من المليون من الثانية.
وقال أباس: “إن وقت التخزين هو أحد القيود التي نعمل عليها حاليًا”. “هذا لا يكفي للتنفيذ في العالم الحقيقي. في المستقبل، سنحتاج إلى مللي ثانية أو حتى عشرات المللي ثانية حتى نتمكن من مزامنة الروابط في شبكة متعددة العقد.”
هناك عنصر آخر في المكرر الكمي يطرح مشاكل أخرى: المصدر، الذي يضخ الفوتونات اللازمة لبناء اتصالات متشابكة. صنع ICFO ذاكرته من بلورة أرضية نادرة يمكنها فقط تخزين الفوتونات ذات النطاق الترددي الضيق والدقيق للغاية. لقد استخدم مصدرًا مصنوعًا من مكونات بصرية كبيرة جدًا بحيث يجب وضعها على مكتب.
ويحاول باحثون أوروبيون آخرون تطوير مصادر تسمى النقاط الكمومية، والتي يمكن دمجها في الرقائق. لكن فوتوناتها أكبر بـ 25 مرة من أن يتم تخزينها في ذاكرة ICFO، كما قال أباس. وقال إن الأشكال الأخرى من بلورات الذاكرة كانت “واعدة للغاية”، ولكن لكل منها عيوبه، كما أن إمكانية دمجها مع نقاط كمومية أكثر عملية غير مؤكدة.
الأوائل في العالم
حصلت جامعتان أوروبيتان أخريان على لقب “الأولى على مستوى العالم” في مجال النقاط الكمومية، مما أدى إلى إحراز المزيد من التقدم نحو مكرر كمي قابل للتطبيق. ال جامعة شتوتغارت، جنبا إلى جنب مع جامعة سابينزا في روماأعلنوا في الوقت نفسه أنهم قاموا بنقل الكيوبتات باستخدام الفوتونات المتشابكة المنبعثة من نقطتين كموميتين مختلفتين. كان التحدي الذي واجهوه هو أن عمليات الشبكات الكمومية تتطلب عدم التمييز بين الفوتونات المقترنة، في حين لم يصنع المهندسون بعد نقاطًا يمكنها بثها بشكل موثوق بما يكفي لمطابقة مصدرين من هذا القبيل.
أجبرت شتوتغارت فوتوناتها على أن تكون أكثر تشابهًا من خلال إخضاعها لمحول تردد متطور مدمج في 1 متر2 رف. وبعد إنشاء سيل من الفوتونات – وهو الأمر المطلوب حتى لمحاولة إنشاء أزواج متشابكة – فقد استخدمت “الاختيار اللاحق” للتخلص من تلك التي من غير المرجح أن يكون من الصعب تمييزها.
يعد وقت التخزين أحد القيود التي نعمل عليها حاليًا. لا يكفي للتنفيذ في العالم الحقيقي
فيليسيان أباس، معهد العلوم الضوئية
وقال إن محولات التردد هي حل مؤقت تيم ستروبل، وهو فيزيائي أبحاث في معهد شتوتغارت لبصريات أشباه الموصلات، في حين أن الاختيار اللاحق هو أمر فظ ويتجاهل الفوتونات الثمينة والمفيدة.
وقال ستروبل: “إنها مجرد نسبة الإشارة إلى الضوضاء. إن تقليل الضوضاء أو زيادة الإشارة هما في طليعة الأبحاث الهندسية”. “لست متأكدًا من مدى قابلية المحولات للتوسع. سيكون من الجيد ألا نحتاج إليها بعد الآن. يعد الاختيار اللاحق أداة ضرورية في الوقت الحالي، ولكننا نرغب في تجنبها في المستقبل.”
وقال ستروبل إن المكرر الكمي في العالم الحقيقي يجب أن يكون قادرًا على إنتاج فوتونات لا يمكن تمييزها بالفعل، لذلك لا تحتاج إلى علاج لاحق. ولا يزال يتعين القيام بالكثير من الهندسة لجعل النقاط الكمومية قادرة على القيام بذلك. أصدرت تجربة شتوتغارت فوتونات لا يمكن تمييزها بنسبة 30% بدون معالجة لاحقة، و75% معها.
ويسعى الباحثون جاهدين للوصول إلى نسبة 100% لأن حالات الفشل تؤدي إلى تدهور شديد في الاتصالات الكمومية. وقال ستروبل إن جزءًا من الحل يتضمن تقنية استخدمها فريق روما في تجربته.
هندسة السلالات
أجرت سابينزا تجربتها باستخدام نقطة كمومية حديثة تم تصميمها لتكون ملتوية فيزيائيًا حتى تبعث فوتونات غير واضحة بشكل أكثر موثوقية. وقال إن مثل هذه الأجهزة نادرة، ولم يكن بها سوى جهاز واحد فقط أليساندرو لانيف، زميل باحث في جامعة سابينزا.
وكانت النقطة الكمومية الأخرى في تجربة سابينزا عبارة عن جهاز أقدم وأقل جودة. أجبره سابينزا على إصدار فوتونات لا يمكن تمييزها عن الأولى عن طريق تعريضه لمجال مغناطيسي باستخدام معدات قال لينيف إنها لن تكون جزءًا من مكرر في العالم الحقيقي. ثم قاموا بنقل الكيوبت باستخدام الفوتونات المشتقة من كلا الجهازين. وكانت النتيجة دقة “جيدة جدًا” بنسبة 82%، كما قال، مستشهدًا بمقياس مدى دقة الإشارة المستقبلة لتلك المرسلة.
قال لانيف: “هذا لا يكفي لتطبيقات الشبكات الكمومية الفعلية. علينا تحسين الأرقام لجعلها مفيدة للربط بين أجهزة الكمبيوتر الكمومية أو توزيع المعلومات الكمومية بشكل موثوق. نريد 99.999%. لكن هذه هي المحاولة الأولى، وهي بالفعل جيدة جدًا”.
كان القيام بالنقل الآني على الإطلاق إنجازًا. كان التحدي التالي هو إجراء العملية الأصعب بكثير المتمثلة في مبادلة التشابك، والتي يتم من خلالها دمج سلسلة من الفوتونات المتشابكة لإنشاء واحدة تمتد عبر نقاط النهاية. من أجل ذلك، كان ينتظر تسليم جهاز الجيل الثالث منه جامعة يوهانس كيبلر في لينز، النمسا، والتي صنعت الآخرين، بالتعاون مع باحثين في فورالبرب، وفي فورتسبورغ، ألمانيا.
جامعة يوهانس كيبلر كتب في يناير 2026 حول كيف أن طموحها لتصنيع ملايين النقاط قد خفف من صعوبة جعلها تنبعث بشكل موثوق.
قال لينيف: “إنه تحدٍ صعب للغاية. لكنهم يتحسنون في هذا المجال، ونوعية المصادر التي نحصل عليها تتحسن بشكل كبير. لا يزال هناك الكثير من المشكلات التقنية الصعبة، ولكننا نعرف بالفعل كيفية معالجة بعضها من حيث المبدأ. ونحن نقترب من ذلك”.
دفع المغلف
حصلت Sapienza على نتائجها المعقولة من خلال إجراء النقل الآني عبر رابط لاسلكي. إن الحصول على نقاط كمومية لإنتاج فوتونات بطول موجة اتصالات أكثر تطلبًا – مناسب للإرسال عبر الألياف الضوئية – هو التحدي الذي تحاول شتوتغارت حله، والسبب الثاني وراء الفجوة في تحويل التردد.
“هناك مسيرة التقدم هذه. هناك العديد من المجموعات في جميع أنحاء العالم، تعتمد على عمل بعضها البعض. ترى نتائج مثيرة تظهر كل أسبوع. هناك مقترحات مختلفة حول كيفية بناء أجهزة إعادة الإرسال. لدينا أوراق نظرية جميلة تخبرنا بكيفية بنائها، لكنها صعبة للغاية من الناحية التجريبية.
وقالت: “كمجتمع، لا نعرف ما هو أفضل طريق للوصول إلى هذا الهدف طويل المدى المتمثل في إنشاء شبكة كمومية مفيدة. لذلك، نحن نستكشف طرقًا مختلفة للوصول إلى هناك”.
تستخدم جامعة إنسبروك الأيونات المحتجزة (الذرات المعدلة المستخدمة في بعض أجهزة الكمبيوتر الكمومية) والتي يمكن أن تنتج فوتونات لا يمكن تمييزها إلى حد كبير، والتي انها تستخدم لإجراء تبادل التشابك على رابط بطول 50 كيلومترًا قبل عامين، ولكن له حدوده الخاصة.
وقالت نورثوب إن الجامعة تعمل مع ICFO، التي تستخدم ذاكراتها الأيونات المحاصرة، وتأمل أن تتمكن من دمج تكنولوجيا تعدد الإرسال الإسبانية في غضون سنوات قليلة. وأضافت أن الإنتاجية لا تزال تمثل تحديًا كبيرًا للباحثين.
