نصف مليار فوتون في الثانية من نقطة واحدة

‹›

على خط الإنتاج في مصنع، تُخرج القطع واحدة تلو الأخرى بدقة في كل دورة. إذا كانت الدورة قصيرة وكان معدل العيوب منخفضًا، يعمل الخط بسرعة. في البصريات الكمومية، يلعب مصدر الفوتونات المفردة دور هذا الخط: يجب أن يُصدر كمًا واحدًا من الضوء بالضبط في كل دورة، وكلما زادت الدورات، زاد عدد الفوتونات التي تخرج إلى الألياف البصرية. مهندسون دنماركيون من Sparrow Quantum بالتعاون مع فيزيائيين من جامعة الرور في بوخوم بنوا خطًا ينجز 515 مليون خطوة في الثانية، ومع ذلك يصل أكثر من نصف القطع إلى نهاية الخط.

قلب الخط هو نقطة كمومية، وهي جزيرة صغيرة من زرنيخيد الإنديوم داخل زرنيخيد الغاليوم. عندما يصطدم بها نبض ليزري، تمتص الطاقة وبعد 220 بيكو ثانية تُصدر فوتونًا واحدًا. هذا هو عمر الإكسيتون، وهو زوج مرتبط من إلكترون وثقب ينشأ عند الامتصاص. وطالما لم يتفكك الزوج، تظل النقطة صامتة. لكي لا يتوقف الخط عن العمل، تُقطع نبضات الليزر بتردد يصل إلى غيغاهرتز واحد، أي كل نانو ثانية. ويتم ذلك بتمرير الشعاع المستمر عبر مُعدِّلين كهروضوئيين (electro-optic modulators) يفتحان ويغلقان بناءً على أوامر من شريحة قابلة للبرمجة.

كفاءة النظام، أي نسبة الفوتونات التي تصل فعليًا إلى الألياف أحادية النمط، تظل أعلى من النصف عند جميع الترددات الثلاثة المختبرة: 56.2% عند 80 ميغاهرتز، و53.8% عند 500 ميغاهرتز، و51.5% عند 1 غيغاهرتز. نقاء الفوتونات المفردة، المُقاس بالارتباط الذاتي من الرتبة الثانية (second-order autocorrelation)، بلغ 3.98% و3.63% و11.13% على التوالي. وهذا يعني أنه من بين مئة نبضة، لا يُصدر سوى عدد قليل فوتونين في وقت واحد. بعد إضافة مرشح عند التردد الأدنى، تحسّن النقاء إلى 2.80%، وزادت رؤية تداخل هونغ-أو-ماندل (Hong-Ou-Mandel) ثنائي الفوتون من 55% إلى 92% على حساب فقدان 12% من الضوء.

الأكثر إثارة للدهشة هو طريقة القياس. تدفق الفوتونات كثيف لدرجة أن قدرته يمكن قياسها بمقياس قدرة بصرية صناعي عادي، مثل تلك التي يستخدمها مهندسو الاتصالات. عند تردد غيغاهرتز، بلغت القدرة 110 بيكوواط. وهذا أضعف بتسعة ملايين مرة من شعاع مؤشر ليزري، لكن الجهاز يتعامل معه. سابقًا، كان عدّ الفوتونات يتطلب كاشفات فائقة التوصيل تحتاج إلى تبريد إلى ما يقرب من الصفر المطلق. الآن يكفي جهاز تجاري في بضع ثوانٍ.

خط الإنتاج الذي يُخرج فوتونًا واحدًا في كل دورة يمكنه اليوم تسريع التوزيع الكمومي للمفاتيح في خطوط الألياف البصرية أو أن يكون معيارًا للقدرة الضوئية في علم القياس. الخطوة التالية هي تقصير عمر المُصدر لرفع تردد الدورات إلى ما فوق غيغاهرتز، أو تقسيم التدفق إلى عدة قنوات لتجارب متعددة الفوتونات. هذا المصدر لا يتطلب تبريدًا مبردًا للكاشفات ويعمل في درجة حرارة الغرفة، مما يجعله مرشحًا ليكون حصان العمل في الشبكات الكمومية المستقبلية.