يتطلب توسيع نطاق الحوسبة الكمومية أجهزة مدمجة ومستقرة وقابلة لإعادة البرمجة لمعالجة المعلومات الكمومية. المعالجات الفوتونية العالمية هي دوائر متكاملة قابلة للبرمجة، قادرة على إجراء تحويلات بصرية خطية عشوائية على عدة أنماط من الضوء. يمكن أن تصبح هذه المعالجات أساسًا لتنفيذ الخوارزميات الكمومية التي اقترحها ريتشارد فاينمان وديفيد دويتش، وكذلك لإنشاء حالات متشابكة.
تم إنشاء مخطط المعالج البصري بـ 24 نمطًا بطريقة الكتابة بالليزر الفيمتوثانية في زجاج Corning EAGLE XG. تم تركيز نبضات الليزر على عمق 35 ميكرومتر وتشكل موجهات موجية أحادية النمط بفاقد أقل من 0.3 ديسيبل/سم، محسّنة لطول موجة 925 نانومتر – إشعاع مصادر الفوتون الواحد القائمة على النقاط الكمومية. للتحكم الحراري البصري، تم وضع مسخنات دقيقة من الكروم بالقرب من كل من 552 قارنة اتجاهية؛ وتمت الوصلات بالنحاس عبر الطباعة الحجرية بخطوتين مع مقاوم ضوئي جاف. تم تعزيز العزل الحراري بواسطة أخاديد عميقة (60 ميكرومتر)، والتي تشكل "جسورًا" من الموجهات الموجية محاطة بالهواء، مما يقلل بشكل كبير من التداخل الحراري المتقاطع. استخدمت المعايرة قياسات لـ 30000 حالة وتعلم آلي لتحديد 576 إزاحة طورية و13824 معامل اقتران حراري.
بعد التغليف، بلغ متوسط الفاقد الكلي للإدخال 4.35 ديسيبل، وهو رقم قياسي منخفض للأجهزة بهذا التعقيد. أظهرت المسخنات الدقيقة استقرارًا عاليًا: عند التشغيل المستمر لمدة 12 ساعة، لم يتجاوز انحراف المقاومة 0.005% في الساعة. للمعايرة، تم تدريب نموذج يأخذ في الاعتبار الانزياحات الطورية الساكنة، ومعاملات تقسيم القارنات، والروابط الحرارية المتقاطعة؛ تمت معالجة 30000 تحويل واحدي. أظهر الفحص النهائي على 2000 مصفوفة عشوائية، مختارة وفقًا لقياس هار (موزعة بشكل موحد في فضاء جميع المصفوفات الوحدوية)، متوسط دقة سعة (fidelity) بنسبة 99.7%. يقلل الفاقد المنخفض للإدخال من فك الترابط إلى الحد الأدنى، وهو أمر بالغ الأهمية للحالات المتشابكة. بقي استهلاك الطاقة الكهربائية في أي من التحويلات المختبرة أقل من 10 واط، مما يسمح بتبريد المعالج بعنصر كهروحراري بسيط.
يضع المعالج المُوضح معيارًا جديدًا للدوائر الكمومية الفوتونية القابلة للتوسع. إنه يثبت أن الكتابة بالليزر الفيمتوثانية تسمح بالجمع بين التصميم ثلاثي الأبعاد، والفاقد المنخفض، والتحكم الحراري الفعال مع عدد من الأنماط يكفي للمهام الكمومية غير التافهة. هذا يقرب من إنشاء محاكيات وحواسيب كمومية، محققًا حلم جون فون نيومان القديم بمعالجة قابلة للبرمجة للمعلومات. تفتح المعايرة الناجحة بأساليب التعلم الآلي الطريق لضبط سريع ودقيق لدوائر أكبر دون الحاجة إلى تصحيح فردي مكلف، وهو أمر مهم لمهام التحسين والنمذجة.
سيمضي التطوير الإضافي للتكنولوجيا في طريق زيادة عدد الأنماط البصرية إلى المئات والآلاف، مما سيتطلب حل مشكلات المعايرة وتصريف الحرارة. من المحتمل الانتقال إلى درجات حرارة منخفضة جدًا للتوصيل مع الإلكترونيات فائقة التوصيل والكاشفات. سيحول التكامل مع مصادر الفوتون الواحد والكاشفات على نفس الشريحة المعالج إلى منصة كمومية كاملة "الكل في واحد". بالإضافة إلى ذلك، قد تصبح خوارزميات المعايرة التلقائية القائمة على التعلم الآلي معيارًا للتحكم في الدوائر الفوتونية متعددة الأنماط.
سيكون للتطوير تأثير على الاتصالات الكمومية (بما في ذلك توزيع المفاتيح الكمومية) والاستشعار الكمومي، حيث تكون هناك حاجة إلى مقاييس تداخل خطية قابلة للبرمجة.
تشمل الخطوات التالية عرض خوارزميات كمومية (مثل أخذ العينات البوزونية) على جهاز الـ 24 نمطًا والتكامل مع باعثات الفوتون الواحد الصلبة على نفس الشريحة الزجاجية.
يرتبط العمل مباشرة بمشكلة توسيع نطاق الحواسيب الكمومية: كيفية الحفاظ على مستوى منخفض من فك الترابط ودقة تحكم عالية مع زيادة عدد الكيوبتات (الأنماط). بالإضافة إلى ذلك، فإن تعقيد معايرة الأنظمة الكبيرة يتردد مع أسئلة أساسية حول التعقيد في نظرية التحكم الكمومي.
هذا القسم موجَّه إلى مؤلف العمل وزملائه. الأعمال المجاورة عثر عليها بحثٌ دلالي في أرشيفنا، لا بتطابق الكلمات. نحن لا نقيّم العمل: نعرض الحقل من حوله.
ماذا يفعل هذا العمل
ابتكر الباحثون معالجًا فوتونيًا عامًا يدعم 24 نمطًا (mode) باستخدام تقنية الكتابة بالليزر فائق السرعة (femtosecond laser writing) في الزجاج، مع تحكم حراري-بصري ومعايرة قائمة على التعلم الآلي. وقد تحققوا من خسائر إدخال منخفضة قياسية بلغت 4.35 ديسيبل، ودقة متوسطة بلغت 99.7% في تحويلات وحدوية عشوائية، مع استهلاك طاقة أقل من 10 واط.
أين تكمن قوته
إن الجمع بين البنية ثلاثية الأبعاد، والخسائر المنخفضة، والتحكم الحراري الفعال عند مقياس 24 نمطًا يضع معيارًا جديدًا لمعالجات الكم الفوتونية. فالدقة العالية والاستقرار يجعلان الجهاز جاهزًا للتجارب الكمومية العملية.
إلى أين يمكن المضي
يستحق التجربة
لماذا قد يكون هذا مهمًا
إن إظهار معالج فوتوني قابل للتوسع ودقيق يقربنا من تحقيق أجهزة الكمبيوتر والمحاكيات الكمومية العملية، كما قد يسرع من تطوير الاتصالات الكمومية.
أعمال قريبة في أرشيفنا
أقرب عمل في الأرشيف يقع عند 0.67 من حيث المعنى — وهو المستوى المعتاد في مجموعتنا.
كما كتبه المؤلفون، بالإنجليزية arXiv:2505.01609v2
We report the fabrication of the first 24-mode universal photonic processor (UPP) realized through femtosecond laser writing (FLW), marking the most complex UPP demonstrated to date. Optimized for quantum dot emission at 925 nm, the device exhibits total insertion losses averaging only 4.35 dB, enabling its direct application in advanced multi-photon quantum experiments. Leveraging the versatility of FLW, we introduce suspended waveguides and precisely engineered 2D and 3D microstructures, significantly enhancing thermal isolation and minimizing power dissipation. As a result, our processor operates efficiently at less than 10 W, requiring only a simple thermo-electric cooler for stable thermal management. The device exhibits exceptional performance after calibration, implementing Haar-random unitary transformations with an amplitude fidelity of 99.7 %. This work establishes FLW-based integrated photonics as a scalable and robust platform for advancing quantum computing, communication, and sensing technologies.
الزجاج المستخدم في المعالجات يشبه مادة شاشات الهواتف الذكية، لكن شفافيته واستقراره الحراري يجعلانه مثاليًا للكتابة الفيمتوثانية للموجهات الموجية. من المثير للاهتمام أن عمق أخاديد العزل الحراري (60 ميكرومتر) أقل من سمك شعرة الإنسان، ولكنها هي التي تسمح بتقليل التداخل المتقاطع بمقادير أسية.
تتوافق فكرة المعالج البصري العالمي مع مفهوم حواسيب الضوء في الخيال العلمي، على سبيل المثال، في رواية "انهيار الثلج" لنيل ستيفنسون، حيث يتم تشغيل واجهات ثلاثية الأبعاد وشبكات عصبية بصرية.