يجلب المهندسون الإنترنت الكمومي إلى الألياف التجارية لأول مرة

توضح رقاقة متكاملة جديدة كيف يمكن للشبكات الكمومية التواصل باستخدام بروتوكولات الإنترنت اليوم على الكابلات الألياف البصرية التجارية الحالية.

في تجربة رائدة ، المهندسون في جامعة بنسلفانيا امتدت الشبكات الكم بنجاح إلى ما وراء المختبر عن طريق نقل الإشارات عبر الكابلات البصرية الألياف التجارية باستخدام نفس بروتوكول الإنترنت (IP) الذي يدفع شبكة اليوم. نشرت في علوم، توضح الدراسة أن إشارات الكم الحساسة يمكن أن تنتقل على نفس البنية التحتية التي تحمل حركة المرور الروتينية عبر الإنترنت. تم إجراء الاختبارات على شبكة الألياف البصرية في الحرم الجامعي في Verizon.

في مركز الجهد ، يوجد “Q-Chip” المدمج لفريق Penn ، المصمم لتنسيق المعلومات الكمية والكلاسيكية أثناء العمل في توافق كامل مع بروتوكولات الإنترنت الحديثة. يمكن أن يكون هذا الابتكار بمثابة أساس لـ “الإنترنت الكمومي” المستقبلي ، وهي شبكة يتوقع الباحثون أن تكون تحويلية مثل ظهور الويب نفسه.

يعتمد الاتصالات الكمومية على الجزيئات المتشابكة ، والتي ترتبط بقوة بحيث تغيير أحدهما على الفور. يمكن أن يسمح الاستفادة من هذه الظاهرة بأجهزة الكمبيوتر الكمومية للربط وتبادل الموارد ، مما يتيح اختراقات مثل أكثر كفاءة الذكاء الاصطناعي وتطوير الأدوية الجديدة والمواد التي تتجاوز قدرات أجهزة الكمبيوتر العملاقة الحالية.

لأول مرة على شبكة ألياف تجارية نشطة ، أظهرت دراسة PENN أن الرقاقة يمكن أن تنقل إشارات الكم مع تصحيح الضوضاء تلقائيًا ، والتعبئة الكمية والبيانات الكلاسيكية في حزم قياسية على غرار الإنترنت ، وتوجيهها من خلال نفس أنظمة العنوان والإدارة المستخدمة من قبل الأجهزة اليومية عبر الإنترنت.

يقول ليانغ فنغ ، أستاذ المواد في علوم المواد والهندسة (MSE): “من خلال إظهار رقاقة متكاملة يمكن لإدارة إشارات الكم على شبكة تجارية حية مثل Verizon ، والقيام بذلك باستخدام نفس البروتوكولات التي تدير الإنترنت الكلاسيكي ، فقد اتخذنا خطوة رئيسية نحو تجارب واسعة النطاق ومؤسسة كمية عملية (ade) ، و. علوم مؤلف كبير في الورقة.

تحديات توسيع نطاق الإنترنت

أوضح إروين شرودنجر ، الذي قدم مصطلح “تشابك الكم” ، الفكرة من خلال تجربته الفكرية المعروفة التي تنطوي على قطة في صندوق مغلق. في الداخل ، جنبا إلى جنب مع المواد المشعة ، مصير القط غير مؤكد – حتى يتم فتح الصندوق ، يمكن اعتبار الحيوان كلاهما على قيد الحياة و ميت. فعل الملاحظة وحده يكشف عن النتيجة.

يوفر هذه المفارقة موازية لسلوك الجزيئات الكمومية. عند قياسها ، يتخلصون من خصائصهم الخاصة ، وهو التحدي الذي يجعل بناء شبكات الكم واسعة النطاق صعبة بشكل خاص.

يقول روبرت بروبرج ، طالب الدكتوراه في ESE والمؤلف المشارك للورقة: “تقيس الشبكات العادية البيانات لتوجيهها نحو الوجهة النهائية”. “مع شبكات الكم البحتة ، لا يمكنك فعل ذلك ، لأن قياس الجسيمات يدمر الحالة الكمومية.”

تنسيق الإشارات الكلاسيكية والكمية

للتغلب على هذه العقبة ، طور الفريق “Q-Chip” (قصيرًا للإنترنت الهجين الكمي الكلاسيكي بواسطة الضوئيات “) لتنسيق الإشارات” الكلاسيكية “، المصنوعة من تيارات عادية من الضوء ، والجزيئات الكمومية. يقول Yichi Zhang ، طالب الدكتوراه في MSE والمؤلف الأول للورقة: “تنتقل الإشارة الكلاسيكية إلى الأمام مباشرةً على إشارة الكم”. “هذا يتيح لنا قياس الإشارة الكلاسيكية للتوجيه ، مع ترك إشارة الكم سليمة.”

في جوهرها ، يعمل النظام الجديد مثل السكك الحديدية ، حيث يقترن قاطرات الضوء العادية مع البضائع الكمومية. يقول تشانغ: “يتصرف” الرأس “الكلاسيكي مثل محرك القطار ، في حين أن المعلومات الكمومية يركب خلفها في الحاويات المختومة”. “لا يمكنك فتح الحاويات دون تدمير ما بداخله ، لكن المحرك يضمن أن القطار بأكمله يحصل على حيث يحتاج إلى الذهاب.”

نظرًا لأنه يمكن قياس الرأس الكلاسيكي ، يمكن للنظام بأكمله اتباع نفس “بروتوكول الإنترنت” أو “بروتوكول الإنترنت” الذي يحكم حركة المرور على الإنترنت اليوم. يقول تشانغ: “من خلال تضمين المعلومات الكمومية في إطار IP المألوف ، أظهرنا أن الإنترنت الكمي يمكن أن يتحدث حرفيًا نفس لغة الكلاسيكية”. “هذا التوافق هو مفتاح التحجيم باستخدام البنية التحتية الحالية.”

تكييف تكنولوجيا الكم مع العالم الحقيقي

أحد أكبر التحديات التي تواجه نقل جزيئات الكم على البنية التحتية التجارية هو تباين خطوط النقل في العالم الحقيقي. على عكس البيئات المختبرية ، التي يمكن أن تحافظ على الظروف المثالية ، تواجه الشبكات التجارية في كثير من الأحيان تغييرات في درجة الحرارة ، وذلك بفضل الطقس ، وكذلك الاهتزازات من الأنشطة البشرية مثل البناء والنقل ، ناهيك عن النشاط الزلزالي.

لمواجهة ذلك ، طور الباحثون طريقة تصحيح الأخطاء التي تستفيد من حقيقة أن التداخل في الرأس الكلاسيكي سيؤثر على الإشارة الكمومية بطريقة مماثلة. يقول فنغ: “لأنه يمكننا قياس الإشارة الكلاسيكية دون إتلاف الإشارة الكمومية ، يمكننا أن نستنتج التصحيحات التي يجب إجراؤها على الإشارة الكمومية دون قياسها ، مع الحفاظ على الحالة الكمومية.”

في الاختبار ، حافظ النظام على إخلاص الإرسال فوق 97 ٪ ، مما يدل على أنه يمكن أن يتغلب على الضوضاء وعدم الاستقرار التي عادة ما تدمر إشارات الكم خارج المختبر. ولأن الشريحة مصنوعة من السيليكون وملفقة باستخدام تقنيات ثابتة ، فقد يتم إنتاجها بكميات كبيرة ، مما يجعل النهج الجديد سهل التوسع.

يقول فنغ: “تحتوي شبكتنا على خادم واحد فقط وعقدة واحدة ، تربط مبنيين ، مع حوالي كيلومتر الكابل الألياف البصرية المثبتة بواسطة Verizon بينهما”. “لكن كل ما عليك القيام به لتوسيع الشبكة هو تصنيع المزيد من الرقائق وتوصيلها بكابلات الألياف البصرية الحالية في فيلادلفيا.”

مستقبل الإنترنت الكم

الحاجز الرئيسي أمام تحجيم شبكات الكم خارج منطقة المترو هو أنه لا يمكن بعد تضخيم إشارات الكم دون تدمير تشابكها.

على الرغم من أن بعض الفرق أظهرت أن “مفاتيح الكم” ، الرموز الخاصة للتواصل مع الآبار الفائقة ، يمكنها السفر لمسافات طويلة عبر الألياف العادية ، فإن تلك الأنظمة تستخدم الضوء الضعيف المتماسك لإنشاء أرقام عشوائية لا يمكن نسخها ، وهي تقنية فعالة للغاية لتطبيقات الأمن ولكنها غير كافية لربط معالجات الكم الفعلية.

سيتطلب التغلب على هذا التحدي أجهزة جديدة ، لكن دراسة Penn توفر خطوة مبكرة مهمة: توضيح كيف يمكن للرقاقة تشغيل إشارات الكم على الألياف التجارية الحالية باستخدام توجيه حزم على غرار الإنترنت ، والتبديل الديناميكي والتخفيف من الأخطاء التي تعمل مع نفس البروتوكولات التي تدير شبكات اليوم.

يقول بروبرج: “هذا يبدو وكأنه الأيام الأولى للإنترنت الكلاسيكي في التسعينيات ، عندما ربطت الجامعات شبكاتها لأول مرة”. “لقد فتح ذلك الباب أمام التحولات التي لم يتنبأ بها أحد. إن الإنترنت الكمي له نفس الإمكانات.”

المرجع: “الإنترنت الكمومي الكلاسيكي الدقيق عن طريق الضوئية المتكاملة” من تأليف ييشي تشانغ وروبرت بروبرج وألان تشو ، غوشو لي ، لي جي ، جوناثان م. سميث وليانغ فنغ ، 28 أغسطس 2025 ، علوم.
doi: 10.1126/science.adx6176

أجريت هذه الدراسة في كلية الهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة بنسلفانيا ، ودعمتها مؤسسة جوردون وبيتي مور (GBMF12960 و DOI 10.37807) ، مكتب البحوث البحرية (N00014-23-1-2882) ، National Science Foundation (DMR-2323468) جائزة PSC-Cuny (ANSC-54-93).

لا تفوت اختراقًا أبدًا: انضم إلى النشرة الإخبارية ScitechDaily.