الاتصال الكمي أو الكمومي هو استخدام ميكانيكا الكم لتشفير المعلومات ونقلها. إنه مجال متنامٍ ولديه القدرة على إحداث ثورة في طريقة تواصلنا، ولكنه يواجه أيضاً العديد من التحديات.
إحدى المزايا الرئيسية للاتصالات الكمومية هي أمنها. تسمح ميكانيكا الكم بنقل المعلومات التي لا يمكن اعتراضها أو نسخها دون أن يتم اكتشافها. وذلك لأن الاتصال الكمي يستخدم الحالات الكمومية التي يمكن إزعاجها بسهولة بأي ملاحظة أو قياس. ومع ذلك، فإن تنفيذ الاتصال الكمي عملياً لا يخلو من التحديات. في حين أنه من الصحيح أن الاتصالات الكمومية توفر الأمان ضد التنصت، إلا أنها عرضة لأنواع أخرى من الهجمات، مثل هجمات رفض الخدمة أو هجمات الرجل في الوسط. لا يزال من الممكن أن تؤدي هذه الهجمات إلى تعطيل الاتصال والتسبب في أضرار.
ستؤثر الأجهزة التي تتيحها التكنولوجيا الكمية على العديد من أوجه المجتمع في المستقبل، حيث ستتراوح تلك الأنظمة من الحواسيب الكمية كلياً إلى المستشعرات المتناهية الصغر والعقد الصغيرة المتخصصة مثل الذاكرة الكمية. وتعتمد قوة و قدرة هذه المنظومة على ترابطها، وبالتالي تتمثل النتيجة الطبيعية لذلك في تسابق الباحثين في كل أرجاء العالم لتطوير الإنترنت الكمي.
تساهم مجموعة الاتصالات الكمية في هذه الجهود العالمية عبر تطوير أجهزة بحجم الرقاقة لإصدار أزواج الفوتونات المتشابكة أو الفردية. ولتحقيق ذلك نستخدم عمليات غير خطية، مثل مزج الموجات الثلاثية أو الرباعية، سواء بالبلورات البصرية أو بأشباه الموصلات مثل السيليكون. كما نقوم بالعمل لنستكشف التكامل غير المتجانس للمواد ثنائية الأبعاد، والتي ثبت أنها تحتوي عيوباً شبكية تمنحها قدرة على إرسال فوتونات فردية عالية الجودة.
وفي هذا التسابق غير المعهود للوصول إلى اتصالات كمومية يمكن استثمارها على أرض الواقع يبقى التحدي الأكبر هو التكلفة، إذ لا يزال الاتصال الكمي في بداياته، والتكنولوجيا باهظة الثمن. ولا تزال تكلفة أنظمة الاتصالات الكمومية مرتفعة، والبنية التحتية اللازمة للاتصالات الكمومية معقدة. وهذا يجعل من الصعب تنفيذ الاتصالات الكمومية على نطاق واسع. ومع ذلك، مع تقدم التكنولوجيا وانتشارها، من المتوقع أن تنخفض تكلفة أنظمة الاتصالات الكمومية. ولمواجهة هذا التحدي قام باحثون في جامعة ماريلاند، بقيادة يو تشو، بتطوير جهاز جديد يعالج المعلومات باستخدام الحد الأدنى من الضوء، مما يوفر قدراً كبيراً من الطاقة ويحسن الأمن في مجال الاتصالات.
كشفت هذه الدراسة الجديدة عن تقنيات قد تكشف عن معالجة معلومات موفرة للطاقة وأمان متطور للبيانات.
يقدم بحث مبتكر من جامعة ماريلاند جهازاً يعالج بيانات الاتصالات باستخدام الضوء، ما يحقق كفاءة الطاقة ويعزز الأمان ضد الاختراق من خلال الاتصالات الكمومية.
وفقاً لدراسة أجراها باحثون في جامعة ماريلاند (UMD)، فإن تقنيات معالجة المعلومات المتقدمة تمكن من الاتصالات الخضراء وتعزيز أمان البيانات لملايين الأشخاص.
يمكن لجهاز جديد قادر على معالجة المعلومات بأقل قدر من الضوء أن يحدث ثورة في الاتصالات الموفرة للطاقة والآمنة. وقد سُلط الضوء مؤخراً على هذا الابتكار، الذي قاده يو تشو، الأستاذ المساعد في قسم علوم وهندسة المواد بجامعة ماريلاند، بالتعاون مع باحثين في مختبر بروكهافن الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE)، في مجلة Nature Photonics.
ثورة الاتصالات البصرية
تعتمد المفاتيح البصرية، وهي الأجهزة المسؤولة عن إرسال المعلومات عبر إشارات الهاتف، على الضوء كوسيلة نقل وعلى الكهرباء كأداة معالجة، ما يتطلب مجموعة إضافية من الطاقة لتفسير البيانات. يستخدم البديل الجديد الذي صممه تشو الضوء فقط لتشغيل الإرسال الكامل، وهو الأمر الذي قد يحسن السرعة وكفاءة الطاقة لمنصات الاتصالات والحوسبة.
أظهرت الاختبارات المبكرة لهذه التكنولوجيا تحسينات كبيرة في الطاقة. في حين تتطلب المفاتيح البصرية التقليدية ما بين 10 إلى 100 فيمتو جول لتمكين نقل الاتصالات، فإن جهاز تشو يستهلك طاقة أقل مائة مرة، أي ما يعادل عُشر إلى فيمتو جول واحد فقط. إن بناء أنموذج أولي يتيح معالجة المعلومات باستخدام كميات صغيرة من الضوء، من خلال خاصية المادة المعروفة باسم "الاستجابة غير الخطية"، مهد الطريق لفرص جديدة في مجموعته البحثية.
التطورات في المواد الكمومية
قال تشو: "كان تحقيق اللاخطية القوية أمراً غير متوقع، وهو الاختراع الذي فتح اتجاهاً جديداً لم نستكشفه من قبل: الاتصالات الكمومية".
لبناء الجهاز، استخدم تشو مواد كوانتومية مضغوطة (QPress) في مركز المواد النانوية الوظيفية (CFN)، وهذا المركز عبارة عن منشأة مستخدمة تابعة لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة في مختبر بروكهافن والتي توفر وصولاً مجانياً إلى معدات عالمية المستوى للعلماء الذين يجرون أبحاثاً مفتوحة. QPress هي أداة آلية لتوليف المواد الكمومية ذات الطبقات الرقيقة مثل الذرة الواحدة.
قال المؤلف المشارك سوجي بارك، وهو عالم في فريق العمل في مجموعة المواد النانوية الإلكترونية في CFN: "لقد تعاونا مع مجموعة تشو لعدة سنوات. إنهم من أوائل المتبنين لوحدات QPress الخاصة بنا، والتي تتضمن مقشراً وفهرساً وجهاز تكديس. وعلى وجه التحديد، قمنا بتوفير رقائق مقشرة عالية الجودة مصممة خصيصاً لطلباتهم، وعملنا معاً بشكل مكثف لتحسين ظروف التقشير لموادهم. وقد عززت هذه الشراكة عملية تصنيع العينات الخاصة بهم بشكل كبير".
تحسينات الأمان
بعد ذلك، يهدف فريق البحث التابع لتشو إلى زيادة كفاءة الطاقة إلى أقل قدر من الطاقة الكهرومغناطيسية، وهو التحدي الرئيسي في تمكين ما يسمى بالاتصالات الكمومية، والتي تقدم بديلاً واعداً لأمن البيانات.
في ظل الهجمات الإلكترونية المتزايدة، نما الاهتمام العلمي ببناء حماية متطورة ضد المتسللين. يمكن قراءة البيانات المنقولة عبر قنوات الاتصال التقليدية ونسخها دون ترك أثر، وهو ما كلف آلاف الخروقات لـ 350 مليون مستخدم في العام الماضي، وفقاً لتقرير Statista الأخير.
يواجه العلماء تحدٍّ آخر في التواصل الكمي، ألا وهو المسافة. حيث يقتصر الاتصال الكمي على المسافة التي يمكن أن تنتقل عبرها الحالات الكمومية. هذه المسافة محدودة بسبب فقدان الفوتونات في وسط الإرسال، مما قد يسبب أخطاء في الحالات الكمومية. للتغلب على هذا التحدي، يقوم الباحثون باستكشاف تقنيات مختلفة لتضخيم الإشارة وتقليل الضوضاء في وسط الإرسال. إحدى هذه التقنيات هي المكررات الكمومية، والتي يمكنها تمديد مسافة الاتصال الكمي عن طريق تقسيم الإرسال إلى أجزاء أصغر. إن التحدي الآخر في الاتصال الكمي هو دمجه مع أنظمة الاتصالات الحالية. تعتمد معظم أنظمة الاتصالات اليوم على الفيزياء الكلاسيكية، ودمج الاتصال الكمي مع هذه الأنظمة ليس بالأمر السهل. ومع ذلك، يستكشف الباحثون طرقاً مختلفة لدمج الاتصال الكمي مع الأنظمة الحالية، مثل استخدام الأنظمة الهجينة التي تجمع بين الاتصال الكلاسيكي والكمي.
على الرغم من التحديات، يوفر التواصل الكمي العديد من الفرص. على سبيل المثال، يمكن أن يوفر الاتصال الكمي قنوات اتصال آمنة للمعلومات الحساسة، مثل المعاملات المالية أو الاتصالات الحكومية. ويمكن استخدامه أيضاً لتوزيع المفتاح الكمي، والذي يسمح للطرفين بالاتفاق على مفتاح سري يمكن استخدامه للاتصال الآمن. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام الاتصال الكمي في الحوسبة الكمومية، والتي لديها القدرة على حل المشكلات المستعصية حالياً باستخدام الحوسبة الكلاسيكية. ومن ناحية أخرى، تقدم الاتصالات الكمومية بديلاً واعداً لأنها تشفر المعلومات باستخدام الضوء، الذي لا يمكن اعتراضه دون تغيير حالته الكمومية. إن طريقة تشو لتحسين عدم خطية المواد هي خطوة أقرب إلى تمكين هذه التقنيات.
----