بقيادة فيزيائي مصري.. علماء هارفارد يصنعون معالجات كمومية فائقة النحافة

نجح فريق بحثي من جامعة هارفارد في تحقيق “تشابك كمومي” لفوتونات الضوء باستخدام مادة شفافة نانوية أرقّ بكثير من شعرة الإنسان، ولا يتجاوز سُمكها جزءًا من ألف من المليمتر.

نشر الفريق دراسته حديثا في دورية “ساينس”، ويرأس مؤلفيها الباحث المصري كيرلس موسي عجايبي يوسف، طالب الدكتوراه في الفيزياء التطبيقية بجامعة هارفارد، الذي يقول في تصريحات حصرية للجزيرة نت: “بهذه التقنية، يمكن استبدال رفوف من العدسات والمرايا ومقسّمات الشعاع والعديد من اللوحات الموجيّة وأجهزة الاستقطاب التقليديّة بشريحة واحدة متناهية الصغر، ممّا يُمهِّد لتكبير الأنظمة الكمومية الضوئية بسهولة وأمان”.

ويضيف: “لقد قمنا بضغط مختبر بصريات كمومي كامل في طبقة فائقة النحافة، هذه الخطوة تضعنا على عتبة حواسيب وشبكات كمومية قابلة للتصنيع والتوسّع”.

شريحة أصغر من طابع بريد

في الحواسيب التقليدية يحمل كل بِت، وهو أصغر وحدة قياس للمعلومات الممكن نقلها، قيمة واحدة إما 0 أو 1، لذلك يُعرف بالنظام الثنائي. يتحول كل شيء في حاسوبك إلى هذين القيمتين كي يتمكن من التعامل معها، فكل صورة أو فيديو أو نص كتابي، وكل برنامج معقد أو تطبيق أو موقع تواصل اجتماعي عبارة عن مجموعة من الأصفار والآحاد.

تحدث العمليات الحسابية عبر بوابات منطقية متتابعة تعتمد على هاتين القيمتين، بحيث تدخل بأشكال مختلفة إلى هذه البوابات وتخرج بقيمة محددة تعتمد حصرا وتتغير بحسب المُدخلات.

كما تختلف أنواع البوابات المنطقية بحسب العمليات المراد القيام بها، فعملية جمع رقمين تختلف في البوابات المنطقية المستخدمة عن عملية الضرب أو القسمة، كل منها يحتاج خريطة من البوابات المنطقية المتتالية تختلف بحسب نوع العملية. تلك البوابات هي اللبنات الأساسية التي تُبنى عليها جميع الأنظمة الرقمية كالحواسيب والهواتف الذكية وكل الأجهزة التي نستخدمها يوميا.

لا يحمل البت إلا قيمة واحدة، إما صفرا أو واحدا، أمّا في الحوسبة الكموميّة فيُستبدَل البِت بالبت الكمومي، أو ما يعرف اختصارا بالـ”كيوبت”، وبسبب خصائصه وتحديدا خاصية التراكب الكمومي، يمكن أن يكون في حالتَي الـ0 والـ1 معا.

ليس هذا فحسب، يضيف يوسف: “يمكن لكيوبِتات متعدّدة أن ترتبط عبر التشابك الكمومي بحيث يصبح قياس أحدها كافيا لتحديد حالة الآخرين فورا. هذه الظواهر تُمكّن الحواسيب الكمومية من تنفيذ حسابات هائلة السرعة، مثل محاكاة الجزيئات المعقّدة أو كسر الشفرات الطويلة، وهي مهامّ تتطلّب من الحواسيب الكلاسيكية سنوات أو قد تكون مستحيلة عمليّا”.

مشكلات التشابك

التشابك الكمي باختصار هو ظاهرة في ميكانيكا الكم، فيها جسيمان (مثل فوتونين أو إلكترونين) يصبحان مرتبطين بطريقة تجعل حالة أحدهما مرتبطة مباشرة بحالة الآخر، حتى لو كانا على مسافات شاسعة.

والفكرة الأساسية تقوم على أن تقيس الجسيم الأول فتعرف فورا حالة الجسيم الثاني، هذا يحدث لحظيا، وكأن بينهما “اتصالا فوريا” يتجاوز حدود المسافة والوقت، حتى لو كان بين الجسيمين ملايين السنين الضوئية. هذه اللحظية هي ما دفع ألبرت أينشتاين لوصف الظاهرة بأنها “تأثير شبحي عن بُعد”.

تحتاج الحواسيب الكمومية إلى درجات حرارة شديدة الانخفاض للحفاظ على تماسك الكيوبت، لكن عندما يُشفَّر الكيوبِت في فوتون ضوئي (أي أن نستعمل خواص الفوتون مثل اتجاه الاستقطاب أو الطور لتمثيل المعلومات الكمية) نحصل على حاسوب كمومي فوتوني قادر على العمل في درجة حرارة الغرفة مع حصانة طبيعية ضد الضوضاء الحرارية.

ورغم مميزات الحاسوب الكمومي الفوتوني عن الحاسوب الكمومي التقليدي، فإن هناك مشكلة، يقول يوسف: “اصطدم توسيع الأنظمة الفوتونيّة بعائقٍ مادّي واضح، كل فوتون إضافي كان يحتاج شبكة جديدة من العدسات والمرايا ومقسِّمات شعاع تمتد أمتارا على طاولة المختبر، مع ضبطٍ ميكانيكي شديد ودفع ثمن فاقد ضوئي متراكم”.

ما هي الأسطح الفائقة ثنائية الأبعاد؟

ولحل تلك المشكلة استخدم الفريق البحثي “الأسطح الفائقة ثنائية الأبعاد” (كوانتم ميتاسرفسيز) وهي طبقة شفافة نانوية البنية، أقل سماكة من شعرة الإنسان، تمتلئ بنقوش مجهرية أصغر من الطول الموجي للضوء نفسه.

تقوم هذه النقوش بدور مهندس محترف يمتلك الأدوات والعدسات اللازمة ليعيد تشكيل خصائص الفوتونات الضوئية العابرة، مثل الاستقطاب والطور والاتجاه.

ويضيف يوسف: “هي طبقة تُعيد هندسة الضوء من الداخل، فتوفر وظائف بصرية كمومية معقدة مثل التداخل والتشابك داخل شريحة لا تُرى بالعين المجرَّدة، ومن دون أي أجزاء متحركة”، وبعيدا عن الكثير من التعقيد، فهذه القدرة على التحكم في حالة الفوتون تشبه تماما قدرة البوابات المنطقية على معالجة العمليات الحسابية المختلفة المكونة من الـ”0 و1”.

وبعد نجاح الأسطح الفائقة ثنائية الأبعاد في تقليص الأنظمة البصرية التقليدية، تساءل يوسف ما إذا كان بالإمكان تطبيق هذا التقليص ليشمل مجال الحوسبة الكمومية، ويقول: “عبقرية تلك الأسطح الفائقة تكمن في قدرتها على ضغط كل البوابات الكمومية في طبقة ثابتة واحدة، لتنتهي بذلك مشكلة الحجم وضبط العناصر الدقيقة”.

لإثبات كفاءة هذه الطبقة في تنفيذ عمليات كمومية حقيقية، استخدم الفريق ظاهرة معروفة في البصريات الكمومية تُسمى تأثير “هونغ-أو-ماندل”. تخيّل بابا له مخرجان، وفوتونين متطابقين يقتربان من الباب في اللحظة نفسها، كل منهما من جهة مختلفة.

في العالم الكلاسيكي الذي نعرفه (عالم فيزياء الأشياء الكبيرة مثل الطائرات والسيارات وأجسامنا الحية)، نتوقع أن يخرج فوتون واحد من كل مخرج. لكن في العالم الكمّي، تحدث مفاجأة، فإذا كان الفوتونان متطابقين تماما، فإنهما يتشابكان ويفضّلان الخروج معا كرفيقين من المَخرج نفسه!

ويُعد انخفاض احتمال خروج هذين الفوتونين من مَخرجين مختلفين وارتفاع احتمال خروجهما من المَخرج نفسه دليلا مباشرا على التداخل الكمومي وتشابك الفوتونات.

ويوضح يوسف: “أجرينا أول تجربة بفوتونين كموميين متزامنين، ورصدنا تداخلا كموميا داخل طبقة واحدة فقط، بلا أي بصريات إضافية، وكانت النتائج متوافقة تماما مع حساباتنا النظرية”.

ثم تابع: “الهبوط الحاد في احتمالات الكشف عن الفوتونات في مسارات مختلفة أكد لنا أن الشريحة قادرة على تنفيذ التداخل والتشابك داخل هذا السُمك متناهي الصغر، والذي لا يتجاوز 0.0008 ملم”.

شبكة كمّومية!

ولجعل الظاهرة قابلة للاستخدام على مستويات أعلى، اعتمد الفريق نهجا مبتكرا باستخدام نظرية تُعرف باسم نظرية “الرسوم البيانية”. هذا النهج سمح بتصميم شريحة كمومية متعددة المخارج تحقق تشابكات كمومية متنوعة، ليس فقط من النوع “هونغ-أو-ماندل” بل أيضا المضاد له، أي خروج الفوتونين المتطابقين من مخارج مختلفة، مما يتيح تحكما مرنا في توزيع الفوتونات على المخارج.

نتائج هذه الدراسة لا تقتصر على المعالجة الكمومية فقط، بل تفتح آفاقا واسعة أمام تطبيقات مستقبلية، مثل إنشاء شبكات كمومية موزعة لتبادل مفاتيح التشفير الآمن، وتصنيع معالِجات ضوئية كمومية في أقمار صناعية صغيرة، وتطوير مجسّات كمومية فائقة الحساسية يمكن تثبيتها في بيئات قاسية لقياس الحقول الكهرومغناطيسية أو الكيميائية.

ويقول يوسف بتطلّع: “نأمل أن تُمكّننا هذه التقنية من تصغير أنظمة الحوسبة الكمومية إلى شريحة يمكن تركيبها في ساعة يد، مما سيحدث نقلة نوعية في تكنولوجيا الكمّ”.

رغم النجاح الكبير الذي حققته هذه الدراسة، يرى يوسف أن الطريق لا يزال طويلا نحو التطبيقات التجارية، ويقول: “التحدي الحقيقي الآن هو تقليل الفاقد البصري وتحسين أداء الشريحة في بيئات غير مثالية. لكننا واثقون أن بنية السطوح الفائقة ثنائية الأبعاد تفتح الباب أمام مستوى جديد من التكامل الكمومي لا يمكن تحقيقه بالأنظمة التقليدية”.