فوتونات مفردة حتمية ومتميزة للغاية في نطاق الاتصالات C

ضوء من أجل إنترنت المستقبل

ينقل إنترنت اليوم المعلومات بضوء ليزري داخل الألياف الزجاجية، لكن إنترنت الكم في المستقبل سيحتاج إلى تيارات من جسيمات ضوئية مفردة — فوتونات — تتصرّف بطريقة محكومة تمامًا. تُظهر هذه الدراسة كيفية بناء مصدر ضوئي صغير على رقاقة يمكنه انبعاث فوتون واحد عالي الجودة في كل مرة بشكل موثوق عند نفس الأطوال الموجية المستخدمة بالفعل في شبكات الألياف لمسافات طويلة، مما يقرب الاتصال الكمّي العملي خطوة أخرى.

لماذا يجب أن تبدو الفوتونات متماثلة

بالنسبة للعديد من تقنيات الكم، من الاتصالات فائقة الأمان إلى أنواع جديدة قوية من الحوسبة، لا يكفي الحصول على فوتونات مفردة عند الطلب؛ بل يجب أن تكون هذه الفوتونات أيضًا شبه متطابقة. إذا كان فوتونان غير قابلين للتمييز حقًا — نفس اللون والزمان والشكل — فبإمكانهما التداخل مع بعضهما بطريقة ليس لها نظير في الحياة اليومية. هذا «التداخل بين فوتونين» هو لبنة أساسية لعمليات منطقية كمومية تُجرى بالضوء. التحدي كان صنع مصدر ينتج مثل هذه الفوتونات المتطابقة تقريبًا عند نطاق الاتصالات القياسي C بالقرب من 1550 نانومتر، حيث تسجل شبكات الألياف الضوئية الحالية أدنى خسارة.

ذرة صناعية صغيرة على رقاقة

يستخدم المؤلفون نقطة كمومية شبه موصلة، هي بنية من صنع الإنسان صغيرة جدًا تتصرف كذرة صناعية. بُني جهازهم من أر سَنِيد الإنديوم مضمنًا في مادة محيطة مصمّمة بعناية ومُوضوعة داخل رنان ذو تداخل دائري (شِبْكَى براف) يعمل كغرفة مرآة مجهرية تُوجّه الضوء المنبعث إلى الأعلى. توضع الرقاقة في مبرد عند أربعة درجات فوق الصفر المطلق وتُثار بنبضات ليزر قصيرة جدًا. ثم يمرر الباحثون الفوتونات الناتجة عبر مرشحات ومكوّنات ليفية لتحليل لونها وتوقيتها ومدى تكرار انبعاث أكثر من فوتون واحد في نفس الوقت.

ضبط طريقة إثارة النقطة

للعثور على أفضل ظروف التشغيل، يقارن الفريق بشكل منهجي أربع طرق مختلفة لتحريك النقطة الكمومية بالليزر. تستخدم طريقة واحدة ليزرًا عالي الطاقة يثير حالات عديدة دفعة واحدة، بينما تستخدم طرق أخرى أطوال موجية أكثر انتقائية، بما في ذلك تقنية يقوم فيها الليزر بالضبط قليلاً خارج الانتقال الرئيسي وتمتص النقطة الكمومية أو تبعث اهتزازات في الشبكة البلورية — فونونات — للوصول إلى الحالة المناسبة. لكل مخطط، يقيسون مدى "فرادة" المصدر عبر النظر في احتمال الحصول على أكثر من فوتون واحد لكل نبضة، ومدى عدم تميّز الفوتونات المتعاقبة عبر إرسال أزواج إلى قاسم شعاع وتسجيل مدى قوة تداخلهما.

بلوغ سجل في تجانس الفوتونات

تأتي النتيجة الأبرز من طريقة الإثارة المعززة بالفونونات. في هذا النطاق، ينبعث من الجهاز تقريبًا لا فوتونات إضافية — إسهام الفوتونات المتعددة يعد بضعة في المئة فقط — والأهم أن الفوتونات المتعاقبة تتداخل بمعدل رؤية خام يفوق 91 في المئة. هذا الرقم مؤشر مباشر على مدى تشابه الفوتونات، ويتجاوز الأرقام القياسية السابقة للباعة الصلبة عند أطوال موجية تلِيكوم. يبين المؤلفون أن طرق الإثارة الأخرى لا تزال تنتج سلوكًا جيدًا للفوتون المفرد لكنها تقصر في قابلية التطابق، على الأرجح لأنّها تُحضّر حالة النقطة الكمومية بشكل أبطأ وأقل نقاءً.

ماذا يعني هذا لشبكات الكم

بعبارة مبسطة، بنى الباحثون مصدر ضوئي مجهر يمكنه إطلاق فوتونات مفردة شبه متطابقة عند الطلب وبنفس اللون المستخدم في شبكات الألياف لمسافات طويلة اليوم. من خلال مطابقة أو تجاوز جودة الفوتونات لمَصادر احتمالية أكثر تعقيدًا مع البقاء حتميًا — أي انبعاث فوتون كلما طُلِب — تساهم مقاربتهم في سد فجوة أداء رئيسية. هذا يقرب أنظمة الاتصال الكمّي العملية وحواسيب الكم المستقبلية القائمة على الضوء إلى الواقع، باستخدام عتاد يمكن دمجه في البنية التحتية التلفونية الحالية.

الاستشهاد: Hauser, N., Bayerbach, M., Kaupp, J. et al. Deterministic and highly indistinguishable single photons in the telecom C-band. Nat Commun 17, 537 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68336-0

الكلمات المفتاحية: مَصادر الفوتون المفرد, نقاط كمومية, نطاق الاتصالات C, الاتصال الكمّي, تطابق الفوتونات