العلماء يصممون الفوتونات في المكان والزمان

أثبت الباحثون أنه من خلال تشكيل البنية المكانية والزمانية للفوتونات، يمكنهم هندسة حالات كمومية مخصصة مناسبة لتقنيات الجيل التالي من الاتصالات والاستشعار والتصوير.

الباحثون في مدرسة الفيزياء في جامعة ويتسأظهر الباحثون، الذين يعملون مع زملاء من جامعة برشلونة المستقلة، أن الضوء الكمومي يمكن تشكيله عبر المكان والزمان لإنتاج حالات كمومية ذات أبعاد عديدة. توضح النتائج التي توصلوا إليها أن الفوتونات المنظمة، وهي فوتونات يتم التحكم في سماتها المكانية أو الزمانية أو الطيفية عمدًا، توفر خيارات جديدة واعدة للاتصالات الكمومية عالية السعة والتقنيات الكمومية الناشئة.

يظهر العمل في مقالة مراجعة في الضوئيات الطبيعة، حيث يدرس المؤلفون النمو السريع للطرق المستخدمة لتوليد وضبط وقياس الضوء المنظم الكمي. تتضمن هذه الأساليب الضوئيات المدمجة على الرقاقة، والعمليات الضوئية غير الخطية، وتحويل الضوء متعدد المستويات، والتي تشكل جميعها الآن مجموعة أدوات متعددة الاستخدامات وقوية بشكل متزايد. بشكل جماعي، تعمل هذه التحسينات على دفع الحالات الكمومية المهيكلة إلى الاقتراب من الاستخدام العملي في مجالات مثل التصوير والاستشعار والشبكات الكمومية المستقبلية.

عقدين من التحول

وفقا للبروفيسور أندرو فوربس، المؤلف المقابل من ويتس، فقد تغير هذا المجال بشكل كبير خلال عقدين من الزمن. “إن تصميم الحالات الكمومية، حيث يتم تصميم الضوء الكمي لغرض معين، قد تسارع في الآونة الأخيرة، وبدأ أخيرًا في إظهار إمكاناته الكاملة. قبل عشرين عامًا، كانت مجموعة الأدوات اللازمة لذلك فارغة تقريبًا. اليوم لدينا مصادر على الرقاقة للضوء الكمي المهيكل، وهي مدمجة وفعالة، وقادرة على إنشاء الحالات الكمومية والتحكم فيها.”

إحدى الفوائد الرئيسية لهيكلة الفوتونات هي القدرة على الوصول إلى أبجديات التشفير عالية الأبعاد، مما يتيح المزيد من المعلومات لكل الفوتون ومرونة أكبر للضوضاء. وهذا يجعل الضوء المنظم الكمي منصة واعدة للاتصالات الكمومية الآمنة.

ومع ذلك، لاحظ المؤلفون أن بعض القنوات في العالم الحقيقي لا تزال غير مواتية للفوتونات ذات البنية المكانية، مما يحد من الإرسال لمسافات طويلة مقارنة بدرجات الحرية الأكثر تقليدية، مثل الاستقطاب. وتقول فوربس: “على الرغم من أننا أحرزنا تقدماً مذهلاً، إلا أنه لا تزال هناك قضايا صعبة”. “إن المسافة التي يصل إليها الضوء المنظم، الكلاسيكي والكمي، تظل منخفضة جدًا … ولكن هذه أيضًا فرصة، تحفز البحث عن درجات أكثر تجريدًا من الحرية للاستغلال.”

المقاربات الطوبولوجية والدول الكمومية القوية

أحد الأساليب الناشئة هو إضفاء خصائص طوبولوجية على الحالات الكمومية، مما يوفر متانة متأصلة للاضطرابات. يقول فوربس: “لقد أظهرنا مؤخرًا كيف أن وظائف الموجة الكمومية لديها القدرة بشكل طبيعي على أن تكون طوبولوجية، وهذا يعد بالحفاظ على المعلومات الكمومية حتى لو كان التشابك هشًا”.

توثق مقالة المراجعة أيضًا التطورات السريعة في التشابك متعدد الأبعاد، والبنية الزمنية فائقة السرعة، وأنظمة الكشف الكمي غير الخطية، والمصادر الموجودة على الرقاقة التي يمكنها توليد أو معالجة الضوء الكمي بأبعاد أعلى مما كان ممكنًا في السابق. تشمل التطبيقات التي تم تسليط الضوء عليها التصوير الكمي عالي الدقة، والقياس الدقيق باستخدام الفوتونات المنظمة، والشبكات الكمومية القادرة على حمل المزيد من المعلومات من خلال قنوات متعددة مقترنة.

ويشير البحث إلى نقطة انعطاف لهذا المجال. كما استنتج المؤلفون، فإن مستقبل البصريات الكمومية مع الضوء الكمي المهيكل “يبدو مشرقًا للغاية بالفعل” – ولكن هناك حاجة إلى مزيد من العمل لزيادة الأبعاد، وتعزيز أعداد الفوتونات، وهندسة الحالات التي تنجو من البيئات البصرية الواقعية.

المرجع: “التقدم في الضوء المنظم الكمي” بقلم أندرو فوربس وفضيلة نوثلاولالا وآدم فاليس، 21 نوفمبر 2025، الضوئيات الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41566-025-01795-x

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.