- الكاشف المفرد الذي تم تطويره في الصين يحتوي على 100 قناة، مما يعزز تقنية الشبكة الكمية.
- دقة الاتصالات في هذا الكاشف تتجاوز 90%، مما يدل على فعاليته.
- استخدم الباحثون مواد جديدة للتغلب على مشكلة الحمل الحراري، مما أدى إلى تحسين الأداء.
- أظهرت نتائج الاختبار أن كفاءة الكشف وصلت إلى 80%، وأن معدل الإيجابيات الكاذبة كان منخفضًا للغاية.
طور معهد شنغهاي للأنظمة الدقيقة وتكنولوجيا المعلومات (SIMIT) كاشف فوتون مفرد بـ 100 قناة، مما يمهد الطريق لتطوير شبكة كوانتية عريضة النطاق في الصين. أظهرت الشبكة النموذجية التي تم اختبارها باستخدام هذا الكاشف أن دقة الاتصالات تجاوزت 90%. مع تقدم تقنيات الحوسبة الكمية والاستشعار، من المتوقع أن تزداد الحاجة إلى الشبكات الكمية في المستقبل. على الرغم من أنه يتم اختبار حلول شبكية مختلفة، إلا أن الحلول المشابهة للشبكات الضوئية الحالية تعتبر أكثر وعدًا بسبب سهولة تحولها. يعتبر كاشف الفوتون المفرد (SPD) مكونًا رئيسيًا في مثل هذه الشبكات، حيث يمكنه قياس الفوتونات أو الجسيمات الضوئية الفردية، مما يسمح بتخزين المعلومات الكمية.
يمكن أن تساعد SPDs في نشر الروابط الضوئية أو الفضائية لنقل البيانات الكمية، كما أنها تساهم في التشابك الكمي أو النقل الفوري، من خلال نقل الحالة الكمية إلى الفوتونات.
تحديات واحتياجات SPDs
تتمثل التحديات في استخدام SPDs في أنه من الضروري تطوير SPDs ذات سعة أعلى لتسهيل تطوير وتوسيع التقنية الكمية. حاليًا، هناك نوعان رئيسيان من SPDs المستخدمة في الأبحاث الكمية. كاشف الفوتون المفرد باستخدام خيوط نانوية فائقة التوصيل (SNSPDs) هو جهاز ضوئي متقدم يتمتع بدقة كشف عالية جدًا، ولكنه يتطلب تشغيله في درجات حرارة منخفضة للغاية. من ناحية أخرى، يمكن لكاشف الفوتون المفرد باستخدام ثنائي الوصلة الانهيارية (SPADs) العمل في درجة حرارة الغرفة، لكنه أقل دقة، مما يجعل SNSPDs أكثر تفضيلًا. ومع ذلك، فإن متطلبات SNSPDs للدرجات المنخفضة للغاية تأتي مع تحديات أخرى.
أثناء عملية القراءة، يجب توصيل SNSPDs بأجهزة تعمل في درجة حرارة الغرفة. يتم تحقيق ذلك عادةً من خلال كابلات محورية سميكة نسبيًا مصنوعة من معادن موصلة حراريًا، والتي تسمح بدخول الحرارة من درجة حرارة الغرفة إلى غرفة SNSPD ذات درجة الحرارة المنخفضة، وهو ما يعرف بالحمل الحراري. مع زيادة عدد قنوات الكشف داخل SNSPD، تزداد أيضًا عدد كابلات القراءة المطلوبة، مما يزيد من الحمل الحراري.
تطبيقات ونتائج المواد الجديدة
للتغلب على هذه المشكلة، أعاد الباحثون في SIMIT تصميم SNSPD بشكل شامل، واستبدلوا الكابلات المحورية بمواد مرنة خاصة تُعرف باسم خطوط الميكروتيوب متعددة النوى عالية الكثافة. هذه الخطوط ليست رفيعة فحسب، بل تتمتع أيضًا بعزل حراري جيد، مما يعني أن الحرارة التي تعود إلى غرفة درجة الحرارة المنخفضة محدودة للغاية. وفقًا لفريق SIMIT، فإن الحرارة الداخلة إلى النظام لا تتجاوز واحدًا وعشرين من حرارة الكابلات التقليدية. وهذا يمكنهم من زيادة عدد القنوات المستقلة دون زيادة كبيرة في حجم SNSPD.
لاختبار تصميمهم، أجرى الباحثون تشغيلًا مستمرًا لمدة سبعة أيام، ووجدوا أن درجة حرارة غرفة الكشف المنخفضة بقيت تحت 2.1K، بالقرب من الصفر المطلق 0K (-273.15 درجة مئوية). خلال فترة الاختبار، وصلت كفاءة الكشف للقنوات إلى 80%، بينما كانت معدلات الإيجابيات الكاذبة منخفضة للغاية، كما أشار الباحثون في ورقة بحثية.
اختبار شبكة توزيع التشابك الكمي
لإجراء مقارنة أقرب إلى السيناريوهات الواقعية، أنشأ فريق البحث شبكة توزيع تشابك كمي مكونة من خمسة مستخدمين، وأعدوا 10 روابط كوانتية ثنائية الاتجاه. تلقى كل مستخدم فوتونات عبر قنوات SPD المطورة حديثًا، واكتشفوا أن دقة الاتصالات، أي حفظ المعلومات الكمية، تجاوزت 90%. تم نشر نتائج هذه الدراسة في مجلة "Laser & Photonics Reviews".
البند المواصفات عدد القنوات 100 كفاءة الكشف 80% درجة حرارة التشغيل 2.1K
كيف يؤثر الكاشف الجديد على تطوير التقنية الكمية
يلعب كاشف الفوتون المفرد دورًا مهمًا في التقنية الكمية، خاصة في نقل البيانات الكمية والتشابك الكمي. مع زيادة الطلب على الشبكات الكمية، أصبح تطوير كاشفات عالية الأداء أمرًا حاسمًا. تُظهر أبحاث SIMIT أنه من خلال التصميمات المبتكرة واستخدام المواد، يمكن معالجة مشكلة الحمل الحراري التي تواجه الكاشفات التقليدية بفعالية، مما يعزز كفاءة نقل المعلومات الكمية. وهذا لا يساعد فقط في دفع تطوير الإنترنت الكمي، بل قد يعزز أيضًا التطبيقات التجارية للتقنيات ذات الصلة، مما يؤثر بشكل عميق على التطور التكنولوجي في المستقبل.