معالج بصري مدمج وقابل للبرمجة على نطاق واسع في الفضاء الحر

دوائر ضوئية بلا رقاقة

تعتمد تقنيات العصر الحديث من الإنترنت إلى الحواسيب الكمومية بشكل متزايد على الضوء لنقل ومعالجة المعلومات. تُبنى معظم الدوائر الضوئية اليوم على رقائق، حيث يُحصر الضوء داخل موجّهات ضيقة. يستكشف هذا المقال مسارًا مختلفًا تمامًا: إجراء حسابات بصرية قوية في الفضاء الحر باستخدام عدد قليل من الشاشات المسطحة القابلة للبرمجة فقط. بالنسبة للقارئ العام، يكمن الجاذبية بوضوح: فهي تشير إلى معالجات ضوئية أخف وزنًا وأكثر مرونة يمكن إعادة برمجتها مثل البرامج، ومع ذلك قادرة على معالجة مشكلات متقدمة في الحوسبة والمحاكاة الكمومية.

تحويل الشاشات المسطحة إلى معالجات ضوئية

يُظهر الباحثون كيفية بناء معالج بصري مدمج باستخدام ثلاثة معدِّلات ضوئية مكانية سائلة بلورية، أجهزة تشبه إلى حد ما شاشات عرض عالية الجودة. بدلًا من توجيه الضوء عبر مسارات ضيقة، يتركون شعاعًا عريضًا يسافر بحرية بينما تُدفع وتُلوى خواصه عند كل طبقة. تُخزَّن المعلومات في نمط الشعاع الضوئي التفصيلي: استقطابه الدائري (اتجاه دوران المجال الكهربائي) وزخماته الجانبية الدقيقة، التي تقابل شبكة من النقاط في مقطع الشعاع العرضي. من خلال برمجة المعدِّلات الثلاث بعناية، يمكن للفريق تنفيذ تحويلات رياضية معقدة ومطابقة تمامًا لما يتطلب عادة عشرات أو مئات المكونات البصرية المنفصلة.

محاكاة المشي الكمي على طاولة مسطحة

لاختبار قدرة معالجهم، يركز المؤلفون على عائلة من العمليات تُسمى المشي الكمي. هذه العمليات هي نظراء الكم للمشيْ العشوائي، حيث يستكشف جسيم شبكة من المواقع خطوة بخطوة. على عكس مشي السكير، ينتشر السائر الكمي بشكل باليستي: تتسع توزيعات الاحتمال أسرع بكثير بفضل التداخل بين المسارات المختلفة. في هذا الإعداد، يُمثَّل كل موقع محتمل على الشبكة بنقطة ضوئية مميزة في مستوى البؤرة لعدسة، وتُشفَّر «عملة» الداخل التي تحرك المشي في استقطاب الضوء الدائري. مع شعاع دخل واحد وتصميم مادي مكوّن من ثلاث طبقات ثابتة، يعيد الفريق برمجة المعدِّلات بحيث يمكن للجهاز الفيزيائي نفسه أن ينفذ أثر ما يصل إلى 30 خطوة زمنية من المشي الكمي أحادي أو ثنائي الأبعاد في لقطة واحدة، موزعًا الضوء عبر أكثر من 7000 وضعية خرج.

مراقبة الاضطراب والحقول والطوبولوجيا أثناء العمل

بما أن المنصة قابلة للبرمجة بالكامل، يمكن للمؤلفين الذهاب إلى ما وراء الانتشار البسيط واستكشاف سيناريوهات أغنى تحاكي مواد معقدة. من خلال تغيير خطوة المشي الفعالة عشوائيًا مع الزمن، يخلقون مستويات مختلفة من «الاضطراب الزمني» ويشاهدون مباشرة الانتقال من الانتشار الكمي السريع إلى سلوك أشبه بالانتشار البطيء، كل ذلك بتحليل كيف يتسع نمط النقاط الضوئية. كما يحاكون أثر حقل كهربائي ثابت على جسيم مشحون عن طريق تحريك النمط المبرمج بشكل طفيف عند كل خطوة، مما يجعل توزيع السائر يعاد تركيزه دوريًا في ظاهرة مميزة تُعرف بتذبذبات بلوتش. والأكثر إثارة، أنهم يستكشفون الخواص الطوبولوجية الكامنة للأنظمة المحاكية—سمات كلية تظل قوية أمام العديد من العيوب. من خلال فصل مركبتي الاستقطاب الدائري وتتبع كمية تُدعى الإزاحة اللولبية المتوسطة، يستخلصون عددًا صحيحًا «رقم التفاف» يُصنّف الطور الطوبولوجي المميز. في نموذج ثنائي الأبعاد شبيه بالغرافين، يتقدمون أيضًا ويرسمون ما يُسمى بالمتر الكمومي، مقياس هندسي لحساسية النظام للتغيرات، عن طريق المسح عبر زخمين مختلفين باستخدام نفس الأجهزة البصرية.

من الحزم الكلاسيكية إلى الفوتونات الفردية

تُنفَّذ كل هذه العروض أولًا باستخدام ليزر تقليدي، حيث تعكس شدة كل بقعة توزيع الاحتمال لسائر كمومي. لإظهار أن المنصة جاهزة لتجارب كمية حقيقية، يستبدل الفريق الليزر بمصدر أزواج فوتونيات متشابكة. يعمل فوتون واحد كإشارة تأكيد (هرالد)، مؤكدًا وجود شريكه، بينما يدخل الفوتون الآخر المعالج ثلاثي الطبقات. باستخدام كاميرا سريعة حساسة للزمن، يسجلون الكشف المتزامن ويعيدون بناء نفس أنماط المشي الكمي على مستوى الفوتون الواحد. التطابق القريب مع النظرية وبيانات الليزر يشير إلى أن الجهاز يحافظ على التراكبات الكمية الرقيقة عبر آلاف الوضعيات، على الرغم من وجود انعكاسات متعددة وتحكم استقطابي معقد.

لماذا يهم هذا لمستقبل الضوئيات

بعبارات بسيطة، يظهر هذا العمل أن حفنة من العناصر الضوئية القابلة للبرمجة في الفضاء الحر يمكن أن تحل محل دائرة ضوئية عميقة ومعقدة، دون دفع ثمن إضافي من الخسارة مع ازدياد تعقيد العملية المحاكاة. من خلال الاستفادة من طريقة «التصميم العكسي» التحليلية، يمكن حساب الأنماط المطلوبة للمعدِّلات مباشرة بدلًا من تحسينها بجهد كبير. النتيجة هي معالج ضوئي مدمج وقابل لإعادة التكوين قادر على تنفيذ مشيات كمومية واسعة النطاق، واستكشاف الاضطراب والحقول الاصطناعية، والوصول إلى خواص طوبولوجية وهندسية دقيقة—كل ذلك داخل نفس الأجهزة. بالنسبة للتقنيات المستقبلية، يقترح هذا مسارًا عمليًا نحو معالجات ضوئية متعددة الأبعاد ومتعددة الوظائف يمكنها تغيير الأدوار عند الطلب، من محاكيات كمية إلى أدوات معلومات كلاسيكية وكمومية متقدمة، بمجرد تحميل أنماط جديدة على ثلاث شاشات مسطحة.

الاستشهاد: Ammendola, M.G., Dehghan, N., Scarfe, L. et al. Compact and programmable large-scale optical processor in free space. Light Sci Appl 15, 179 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02236-2

الكلمات المفتاحية: الضوئيات في الفضاء الحر, المشي الكمي, المعدِّلات الضوئية المكانية, الضوئيات الطوبولوجية, المحاكاة الكمية