عرضت مؤسسة كويتيك (QuTech)، وهي مؤسسة أبحاث كمية مشتركة بين جامعة دلفت للتكنولوجيا ومنظمة البحوث التطبيقية الهولندية TNO، واجهة فعالة ومتماسكة بين الضوء والمادة، تربط باعثًا كميًا من نوع مركز الألوان "قصدير-فراغ" في الألماس مع فوتونات داخل تجويف ضوئي نانوي. هذا الإنجاز، الذي تم تحت إشراف البروفيسور رونالد هانسون، نُشر في مجلة "Physical Review X". حقق فريق البحث في تجويف بلوري ضوئي من الألماس تماسكًا تعاونيًا متماسكًا لمركز الألوان "قصدير-فراغ" تجاوزت قيمته الواحد، وهو مؤشر يعني أن التفاعلات الكمومية المتماسكة المفيدة يمكنها التغلب على ضوضاء فك الترابط، مما يوفر أساسًا تجريبيًا لإقامة "مصافحة" أكثر موثوقية بين البتات الكمومية الصلبة والبتات الكمومية الطائرة (الفوتونات).

مركز الألوان "قصدير-فراغ" هو عيب اصطناعي في الشبكة البلورية للألماس، يتكون من اتحاد ذرة قصدير مع فراغ كربوني. يتصرف مثل نظام كمي شبيه بالذرة مغروس في مادة صلبة، قادر على حمل المعلومات الكمومية والتفاعل مع الضوء.

يتطلب كل من الإنترنت الكمومي والحوسبة الكمومية المعيارية ربط نوعين من الناقلات الكمومية: الأول هو البتات الكمومية المادية الصلبة على الرقاقة، لتخزين ومعالجة المعلومات؛ والثاني هو البتات الكمومية الفوتونية، لنقل الحالات الكمومية بين العقد المختلفة. تكمن الصعوبة في أن العيوب الصلبة تتأثر بضوضاء المواد المحيطة، ويجب أن تتفاعل الفوتونات مع الباعث بدقة عالية وفي زمن قصير جدًا. تعزيز الإضاءة العادي يوضح فقط أن الإصدار أصبح أكثر سطوعًا، لكنه لا يضمن التماسك المطلوب للبروتوكولات الكمومية. في هذا العمل، قامت كويتيك بدمج مركز الألوان "قصدير-فراغ" داخل تجويف بلوري ضوئي من الألماس، مما سمح للتجويف النانوي بتركيز المجال الضوئي في منطقة العيب، مما يعزز التفاعل بين الباعث الكمومي الفردي والفوتونات، وتم تأكيد تجاوز التماسك التعاوني المتماسك للواحد من خلال قياسات عرض الخط الطيفي.

"تجاوز الواحد" يتوافق مع عتبة تجريبية مهمة. إنه يشير إلى أن قوة الاقتران المتماسك أصبحت كافية للتغلب على تأثيرات فك الترابط البيئي، ويبدأ النظام في الدخول إلى نطاق عمل أكثر ملاءمة لنقل الحالات الكمومية وتوليد التشابك عن بعد.

كما أظهر فريق البحث مؤشرات على قابلية التوسع في تصنيع الأجهزة. قاموا بقياس 327 جهازًا ضوئيًا نانويًا من الألماس على رقاقتين، وحصلوا على عامل جودة متوسط مرتفع وإنتاجية جيدة للأجهزة؛ في جهازين رئيسيين، عزز مركز الألوان "قصدير-فراغ" المقترن بالتجويف بشكل كبير انبعاث الفوتونات في النمط البصري المستهدف. يوضح الموقع الرسمي لكويتيك أنه عندما يتم ضبط التجويف البصري ومركز الألوان "قصدير-فراغ" على حالة الرنين، يمكن للباعث الكمومي الفردي تعديل الضوء المنقول عبر التجويف بشكل قوي، مقتربًا من إغلاق نقل الضوء عبر التجويف بالكامل. هذا يشير إلى أن باعثًا كميًا صلبًا واحدًا يمكنه بالفعل ممارسة تحكم قوي على المجال الضوئي بمقياس الفوتون الواحد، مما يوفر أساسًا للأجهزة لربط عقد كمومية متعددة في شبكة في المستقبل.

تتجه تطبيقات هذا الإنجاز بشكل أساسي نحو الشبكات الكمومية. ستحتاج العقد الكمومية المستقبلية إلى إجراء تخزين ومعالجة كمومية محليًا، ثم إرسال المعلومات الكمومية إلى العقد البعيدة عبر الفوتونات، مما يشكل تشابكًا عن بعد واتصالات حوسبة كمومية موزعة.

تكمن ميزة نهج مراكز الألوان في الألماس في قدرته على التكامل الصلب وإمكانات الواجهة البصرية. تتمتع مراكز الألوان "قصدير-فراغ"، مقارنة ببعض أنظمة مراكز الألوان الأخرى، بخصائص بصرية ودورانية جيدة، مما يجعلها مناسبة لبناء أجهزة على مستوى الرقاقة موجهة للشبكات الكمومية. أما التجويف البصري النانوي فيلعب دور "مضخم التفاعل"، حيث يضغط التفاعل الضعيف أصلاً بين الباعث والفوتون في نمط بصري أصغر حجمًا وأعلى شدة مجال. بعد تجاوز التماسك التعاوني للواحد، يمكن للأبحاث اللاحقة أن تتجه نحو توليد التشابك عن بعد، وعقد التتابع الكمومي، والربط البيني للمعالجات الكمومية المعيارية، والواجهات الضوئية الكمومية على الرقاقة. كما أشار رونالد هانسون في المحتوى الذي نشرته كويتيك إلى أن هذه النتيجة تساعد في توليد التشابك بين العقد البعيدة بشكل أسرع وأكثر موثوقية، ولها أهمية بالنسبة لتعاون كويتيك مع شركة فوجيتسو في تطوير الحوسبة الكمومية المعيارية.

لا تزال هناك العديد من التحديات الهندسية التي يجب حلها باستمرار. تحتاج الشبكات الكمومية إلى عدد كبير من الأجهزة ذات الأداء المتسق، ويجب ترجمة المؤشرات الممتازة للعينات الفردية إلى قدرات التصنيع بالجملة، والضبط المستقر، والتشغيل في درجات حرارة منخفضة، والاقتران بالألياف الضوئية، والموثوقية طويلة الأمد، والتحكم على مستوى النظام. إن مطابقة التردد بين مركز الألوان "قصدير-فراغ" والتجويف البلوري الضوئي، والتحكم في موقع العيب، وتثبيط تلف المواد، وإدارة ضوضاء فك الترابط، والربط البيني متعدد العقد، كلها عوامل ستؤثر على حجم النظام اللاحق. نتائج قياس 327 جهازًا التي عرضتها كويتيك توفر إشارة إيجابية للتصنيع القابل للتوسع؛ وتجاوز التماسك التعاوني للواحد يدفع بقدرات الجهاز من "واجهة إصدار ضوئي أكثر سطوعًا" إلى مرحلة "واجهة قادرة على تنفيذ بروتوكولات كمومية عالية الدقة".

يمثل هذا البحث من كويتيك الهولندية خطوة إلى الأمام لواجهة الفوتون الكمومي لمركز الألوان "قصدير-فراغ" في الألماس نحو شبكة كمومية عملية. إنه لا يحل مجرد مشكلة كفاءة الإصدار الضوئي، بل يتعلق بقدرة البت الكمومي الصلب والفوتون الطائر على إجراء تفاعل كمومي موثوق في ظل ظروف ضوضاء منخفضة. مع انتقال الحوسبة الكمومية من رقاقة واحدة إلى بنية معيارية، ومع تطور الإنترنت الكمومي من روابط تجريبية إلى شبكات متعددة العقد، ستصبح واجهات الضوء والمادة الفعالة والمتماسكة والقابلة للتوسع هذه عنصرًا أساسيًا في الأجهزة الأساسية.