حققت أبحاث تكنولوجيا الكم في بلدنا تقدمًا جديدًا قد يجعل الشبكة الكمومية في طريقها إلى الواقع

وفقًا لجامعة العلوم والتكنولوجيا الصينية، مؤخرًا، حققت جامعة العلوم والتكنولوجيا الصينية، بقيادة بان جيانوي وزملائه، تقدمًا كبيرًا في مجال أبحاث الشبكة الكمومية القابلة للتوسع. تعاون الباحثون وان يي، وان يونغ، زانغ تشيانغ، بان جيانوي مع معهد جينان لتقنيات الكم، ومعهد شنغهاي للأنظمة الدقيقة وتكنولوجيا المعلومات التابع للأكاديمية الصينية للعلوم، وجامعة هونغ كونغ، وجامعة تسينغهوا، وغيرهم، لبناء الوحدة الأساسية للوسيط الكمومي القابل للتوسع، مما يجعل الشبكة الكمومية بعيدة المدى ممكنة من الناحية العملية. في الوقت نفسه، تعاون الباحثون باو شياوهوي، وكسو فيهو، وزانغ تشيانغ، وبان جيانوي مع معهد جينان لتقنيات الكم، وجامعة سنغافورة الوطنية، وجامعة واترلو بكندا، لتحقيق التشابك عالي الجودة بين عقد ذرة واحدة على مسافات بعيدة، وعلى أساس ذلك، تم كسر مسافة النقل لنظام توزيع المفاتيح الكمومي غير المعتمد على الجهاز (DI-QKD) إلى أكثر من مائة كيلومتر، مما يعزز بشكل كبير عملية تطبيق هذه التقنية. تم نشر إنجازين في المجلات العلمية الرائدة دوليًا “Nature” و"Science" في يومي 3 و6 من فبراير بتوقيت بكين على التوالي.

هذه الإنجازات تمثل خطوة تاريخية أخرى بعد “قمر مو زو” في مجال الاتصالات والشبكات الكمومية، وتدل على أن الشبكة الكمومية الضوئية المبنية على التشابك الكمومي بدأت تتجه من النظرية إلى الواقع، مما يعزز مكانة بلادنا الدولية في هذا المجال.

الهدف النهائي لعلم المعلومات الكمومي هو بناء شبكة كمومية فعالة وآمنة: من خلال القياس الدقيق للمعلومات باستخدام القياسات الدقيقة الكمومية، وتحقيق النقل الآمن والفعال للمعلومات عبر الاتصالات الكمومية، وتسريع معالجة المعلومات بشكل أسي باستخدام الحوسبة الكمومية، لتحقيق قفزة ثورية في فهم العالم المادي. العنصر الأساسي لبناء الشبكة الكمومية هو توزيع التشابك الكمومي الحتمي على مسافات طويلة، وبالاعتماد على التشابك، يمكن ليس فقط تحقيق النقل الآمن للمعلومات الكلاسيكية عبر توزيع المفاتيح الكمومية، ولكن أيضًا توفير وسيلة فريدة وفعالة لتفاعل المعلومات الكمومية بين الحاسوب الكمومي والمستخدم من خلال النقل الكمومي الخفي.

图1. مخطط توضيحي للشبكة الكمومية

الفقد الطبيعي للألياف الضوئية يؤدي إلى تدهور كفاءة نقل التشابك الكمومي بشكل أسي مع المسافة، مما يمثل أكبر تحدٍ لبناء شبكة كمومية قابلة للتوسع. على سبيل المثال، بعد نقل مباشر عبر 1000 كيلومتر من الألياف الضوئية القياسية، يتضاءل الإشارة الضوئية إلى 10^-20 من شدتها الأصلية (جزء من تريليون تريليون)، مما يعني أنه حتى مع إرسال 10^8 زوج من الفوتونات المتشابكة في الثانية، لن يتم استلام زوج واحد من التشابك إلا بعد حوالي 300 سنة في المتوسط.

خطة الوسيط الكمومي هي حل فعال لمشكلة فقدان النقل عبر الألياف الضوئية: على سبيل المثال، في خط ألياف ضوئية بطول 1000 كيلومتر، يمكن وضع محطة وسيط كل 100 كيلومتر، حيث يتم إنشاء التشابك بين المحطات المجاورة، ثم يتم تبادل التشابك لربط الأجزاء المختلفة، مما يتيح توزيع التشابك بشكل فعال بين المواقع البعيدة. باستخدام هذه الخطة، مع نفس معدل الإرسال، يمكن استلام 10^8 زوج من الفوتونات المتشابكة في الثانية، بزيادة كفاءة النقل بمقدار 10^18 مرة. لذلك، ظل الوسيط الكمومي هو الاتجاه البحثي الأهم في الشبكة الكمومية الضوئية.

图2. مخطط مبدأ الوسيط الكمومي。（1）يتم إنشاء التشابك بين العقد المجاورة (مثل A وB، B وC) عبر تداخل الفوتونات.（2）يتم تنفيذ تبادل التشابك عند العقدة B، مما يتيح إنشاء التشابك بين العقدة A وC، وهكذا.（3）يتم توسيع مسافة التشابك تدريجيًا عبر تبادل التشابك متعدد المستويات، وأخيرًا يتم إنشاء التشابك بين العقدة A وK الأبعد.

في عام 1998، عرض بان جيانوي وزملاؤه لأول مرة على الصعيد الدولي ربط التشابك الكمومي. ومنذ ذلك الحين، حققت فرق البحث المحلية والدولية سلسلة من التقدمات المهمة. ومع ذلك، فإن أحد التحديات التقنية الكبرى التي لم يتم حلها خلال الثلاثين عامًا الماضية هو: أن عمر التشابك يكون بعيدًا جدًا عن الوقت المطلوب لإنشاء التشابك، بحيث أنه خلال فترة حياة التشابك، يصعب تحديد التشابك المجاور بدقة، مما يمنع الاتصال الفعال للتشابك، ويقيد بشكل خطير قابلية توسع الوسيط الكمومي.

لمواجهة هذا التحدي الرئيسي، طورت فريق البحث في جامعة العلوم والتكنولوجيا الصينية تقنية تخزين كمومي طويلة العمر باستخدام أيونات محبوسة، وواجهات اتصال عالية الكفاءة بين الأيونات والفوتونات، وبروتوكول تشابك أحادي الفوتون عالي الجودة، لتحقيق تشابك كمومي طويل العمر، حيث تجاوز عمر التشابك (550 مللي ثانية) بشكل ملحوظ الوقت المطلوب لإنشاء التشابك (450 مللي ثانية)، مما مكن من بناء الوحدة الأساسية للوسيط الكمومي القابل للتوسع، وجعل الشبكة الكمومية بعيدة المدى ممكنة.

图3. مخطط مبدأ الوحدة الأساسية للوسيط الكمومي القابل للتوسع。（1）يتكون التجربة من مخزن أيونات محبوسة طويلة العمر، ووحدة تحويل تردد الكم، ووحدة تداخل فوتون أحادي عالية التباين.（2）معدل إنشاء التشابك هو 2.226 هرتز، أي أن وقت الانتظار حوالي 450 مللي ثانية.（3）عمر التشابك حوالي 550 مللي ثانية.

واحدة من التطبيقات المباشرة لنشر التشابك على مسافات طويلة هي تحقيق أعلى مستوى من سرية الاتصالات الكمومية. تتطلب أنظمة الاتصالات الكمومية التقليدية عادة معايرة دقيقة لمواصفات الأجهزة لضمان الأمان، وهو ما يسبب إزعاجًا في التطبيق العملي. أما بروتوكول “توزيع المفاتيح الكمومية غير المعتمد على الجهاز (DI-QKD)”، الذي يعتمد على التشابك، فقد كسر هذا القيد: حتى لو كانت الأجهزة غير موثوقة تمامًا، طالما أن الطرفين يمكنهما إنشاء تشابك عالي الجودة والتحقق من انتهاك غير محدودية بيل، يمكن ضمان أمان توزيع المفاتيح بشكل صارم دون الحاجة إلى معايرة دقيقة للمكونات. لذلك، وصف أحد مؤسسي علم التشفير الكمومي، والفائز بجائزة وولف لعام 2018، جيليس براهارد، DI-QKD بأنه “كأس المقدسة” التي يسعى إليها علماء التشفير منذ قرون.

ومع ذلك، يواجه تنفيذ DI-QKD تجريبيًا متطلبات تقنية صارمة للغاية. يتطلب التشابك الكمومي بين العقد البعيدة تلبية الشروط التالية:（1）وجود كفاءة اكتشاف عالية جدًا لإغلاق ثغرات كفاءة الكاشف؛（2）الحفاظ على تشابك عالي الجودة لضمان انتهاك واضح لقيد بيل. نظرًا لفقدان الألياف الضوئية على مسافات طويلة والضوضاء في النظام، كانت التجارب السابقة محدودة غالبًا على مسافات قصيرة (عادة من أمتار إلى مئات الأمتار)، وتباعدت بشكل كبير عن متطلبات التطبيق الفعلي.

بناءً على تقنية الوسيط الكمومي القابل للتوسع، نجح فريق جامعة العلوم والتكنولوجيا الصينية أيضًا في تحقيق تشابك عالي الجودة بين ذرتين من الروثينيوم على مسافات طويلة: على طول خط ألياف ضوئية يصل إلى 100 كيلومتر، لا تزال جودة التشابك بين العقد الذرية تتجاوز 90%، متفوقة بشكل ملحوظ على نتائج التجارب الدولية السابقة. استنادًا إلى ذلك، حقق الفريق توزيع المفاتيح الكمومية غير المعتمد على الجهاز على مستوى المدينة عبر خط ألياف بطول 11 كيلومتر، مع تحليل أمان محدود البيانات وإثبات صارم، مع زيادة مسافة النقل حوالي 3000 مرة مقارنة بأفضل النتائج السابقة؛ وأظهر إمكانية توليد المفاتيح على مسافة 100 كيلومتر، مع زيادة بمقدار أكثر من مرتين في مدى النقل مقارنة بأفضل التجارب الدولية السابقة.

图4. مخطط تجربة DI-QKD لمسافة مائة كيلومتر. يطلق الزوج الذري في كل طرف فوتون ريدبرغ من خلال عملية توليد الفوتون الأحادي، ثم يُنقل عبر الألياف الطويلة إلى العقدة الوسطى حيث يحدث تداخل. بعد اكتشاف الحدث المتوقع، يتم إسقاط الذرات على الحالة المتشابكة عن بعد، مما يحقق توزيع التشابك. ثم يتم قياس الذرات بشكل عشوائي باستخدام قواعد، وتُستخدم نتائج القياس لاختبار انتهاك قيد بيل للتحقق من الأمان، وبعد التحقق، يتم معالجة البيانات لإنشاء مفتاح آمن.

حصلت هاتان الدراستان على دعم من البرنامج الوطني للمشاريع الكبرى، ومجلس العلوم الطبيعي الوطني، والأكاديمية الصينية للعلوم، ومقاطعة أنهوي، ومدينة هيفي، ومقاطعة شاندونغ، ومدينة جينان، ووكالة التمويل البحثي في هونغ كونغ.