ألياف بصرية

كبسولة صغيرة جدًا تشبه فقاعة الصابون، لكن جدارها مصنوع من بلورات متوهجة، تتصرف مثل الليزر. ما دام جدارها سليمًا، ينتقل الضوء في مسار دائري، ويتضخم، ثم ينطلق كشعاع ضيق ساطع. وما إن يتشقق الجدار حتى يتحول الشعاع إلى بقعة باهتة. هذه الكبسولة هي جسيم غرواني (colloidosome)، وهي قادرة على تغيير توهجها عند الطلب.

توجد شريحة رقيقة من خشب الأوكالبتوس تحت عدسة المجهر، وبعد مرور الضوء الأبيض عبر مرشحين للاستقطاب، يتحول الخشب إلى فسيفساء من بقع أرجوانية وصفراء وزرقاء. هذه الألوان ليست عشوائية؛ فهي، مثل الحروف على الخريطة، تُظهر اتجاه خيوط السليلوز غير المرئية داخل جدران الخلايا.

الضوء الذي لم يصل إلى الكاميرا يترك أثره عليها. هكذا يعمل أسلوب التصوير الجديد: يُضاء الجسم بلون واحد، وتُلتقط الصورة من لون آخر. داخل البلورة، تمتزج موجات الضوء، وتنتقل المعلومات عن الأشعة غير المرئية إلى الشعاع المرئي. في التجربة، استُخدمت بلورة من ثيوجالات الفضة — وهي مادة بصرية غير خطية يمر عبرها شعاعان مختلفا اللون بزاوية. أحدهما هو الشعاع الذي يضيء العينة، والآخر هو الذي يصل إلى الكاميرا.

الضوء في الألياف البصرية يشبه الجدول: فهو ينتشر داخل الخيط الزجاجي، محتجزًا بالانعكاس الداخلي الكلي، ولا يخرج عن حدوده. الألياف السميكة، لامتلاكها عددًا كبيرًا من الأنماط، تمرر العديد من هذه «الجداول» في وقت واحد؛ أما الرفيعة فتمرر نمطًا واحدًا فقط. غالبًا ما يحتاج علماء الفلك إلى إعادة توزيع الضوء من ألياف سميكة متعددة الأنماط إلى عدة ألياف رفيعة، لتحليله طيفيًا لاحقًا.

الفوتون المفرد يشبه لبنة متساوية تمامًا يمكن البناء بها لتقنيات الكم. لكن لبناء منزل، نحتاج آلاف اللبنات المتطابقة. ذرات الروبيديوم وُلدت باعثة: كل ذرة تصدر فوتونات بطول موجي واحد تمامًا، كالشوكة الرنانة التي تعطي نغمة واحدة دائمًا. المشكلة هي كيفية جمع العديد من الذرات في مكان واحد وجعلها تعمل بتناغم.

عندما يمر الضوء عبر سائل عكر، مثل كوب من الماء المخلوط بالطين، فإنه يضعف — إذ تُمتص بعض الفوتونات بواسطة جزيئات الوسط. على هذا المبدأ تعمل العديد من الأجهزة لتحليل السوائل: بقياس نسبة الضوء المفقود يمكن الاستدلال على التركيب. لكن إذا كان الوسط غير متجانس، مثل حساء يحتوي قطعًا من الخضروات، فإن رقمًا إجماليًا واحدًا لا يكفي: من الضروري معرفة أين يكون الامتصاص أقوى وأين يكون أضعف.

ومضة الضوء القصيرة تشبه عبارة موسيقية: يمكن تمييز نغماتها المنفردة إذا أنصتنا بانتباه شديد. لكن في العالم الكمومي، هذه "النغمات" — الأنماط الزمنية — مضغوطة إلى بيكو ثانية (أجزاء من تريليون من الثانية)، ولا تكاد البصريات العادية تميزها. بنى العلماء جهازًا يعمل كمرشح موسيقي: يمرر نغمة واحدة مختارة من الوتر دون أن يكتم الباقي، بل ببساطة لا يسمح لها بالمرور.

شبكات الكمومية المستقبلية تشبه برج بابل: كل عقدة تتحدث لغتها الخاصة. بعضها يخزن المعلومات في استقطاب الفوتون — أي اتجاه اهتزاز موجة الضوء. والبعض الآخر في بتات زمنية، أي في اللحظة التي يصل فيها النبض. وحتى الأطوال الموجية مختلفة: فالذرات تصدر في النطاق المرئي، بينما الألياف البصرية تنقل الأشعة تحت الحمراء بشكل أفضل. نحتاج إلى مترجم عالمي.

المواد الباعثة للضوء القائمة على المركبات العضوية تشبه تقاطعًا مزدحمًا بلا إشارة مرور. الجزيئات تستقبل الطاقة، لكن بدلًا من أن تردّها بأمانة على شكل ضوء، غالبًا ما تنعطف إلى طرق مسدودة: تشكل أزواجًا مظلمة (إكسيبلكسات exiplexes — معقدات قصيرة العمر بلا إشعاع) أو تتصادم مع بعضها، فتفقد شحنتها.

تبعث الخلية الحية باستمرار إشارات مغناطيسية ضعيفة، كأنها تهمس. يتنصت العلماء على هذا الهمس بواسطة "ميكروفونين" مجهريين - هما مستشعران للمجال المغناطيسي. أحدهما صُنع من الطبيعة (بروتين)، والآخر ذرة غبار ماسية من صنع الإنسان فيها عيب (من الكربون النقي) يحولها إلى هوائي.

البيانات في الإنترنت تسافر بسرعة الضوء سرعة الضوء عبر الألياف الضوئية. في الشبكات التقليدية، التأخيرات ليست حرجة، لكن الاتصال الكمومي يحتاج إلى تزامن مثالي: يجب أن تصل جسيمات الضوء المحملة بالمعلومات المشفرة إلى الكاشف في نفس اللحظة. المشكلة هي أنها بعد أن تسلك مسارات مختلفة، تفقد التزامن - تمامًا كمكونات طبق يتم إعدادها في أوقات مختلفة وتنتظر بعضها البعض.

الضوء عبارة عن تدفق من الجسيمات الأولية — الفوتونات. في دليل ضوئي خاص، يمكن تصوره كممر ضيق، عادةً ما تسمح الذرة-«الحارس» بمرور الفوتونات واحدًا تلو الآخر. هذا التأثير يدرسه التحليل الطيفي للجسيمات المفردة — وهي طريقة تسمح بدراسة تفاعل الضوء مع المادة على مستوى الكمات الفردية.

يمكن للضوء أن يكون ليس مجرد شعاع، بل مسطرة فائقة الدقة. إذا أخذنا ومضات قصيرة جدًا — أقصر من رفرفة جناح ذبابة — وأطلقناها تباعًا، نحصل على مشط طيفي: مجموعة ألوان تفصل بينها فترات متساوية تمامًا، مثل أسنان المشط. هذا القوس قزح يسمح بقياس المسافات والزمن وتركيب المواد بدقة لا تُتصور.

الكمبيوتر الكمومي يشبه أوركسترا حيث يجب على كل عازف-كيوبت أن يعزف في صمت تام. لكن عندما يكون هناك العديد من هذه الأوركسترات وتريد العزف معًا، فإنها تحتاج إلى قائد-موصل موثوق. المشكلة أن الكيوبتات فائقة التوصيل تتواصل بلغة الموجات الدقيقة – وكأن عازفي الكمان يحاولون إسماع صوتهم إلى القاعة المجاورة عبر جدار خرساني. الموجات الدقيقة تخمد بسرعة في الأسلاك العادية ولا يمكنها السفر عبر الألياف البصرية.

تحتاج الشبكات الكمومية إلى وسيط بين وحدة التخزين – السِبين – والناقل – الضوء. لم يسبق لأي جزيء منفرد أن اضطلع بهذه المهمة. لكن الفيزيائيين وجدوا الآن حلاً. فقد وضعوا جزيء الكاربين داخل بلورة وبرّدوها إلى -269 درجة مئوية.

في أقبية أربعة معاهد أوروبية، وُضعت سبعة أجهزة — يمكن تشبيه كل منها بشوكة رنانة بدقة لا تُتصور. لكن بدلًا من الصوت، تصدر «دقات» من الضوء: اهتزازات ليزر محبوس على تردد معين بواسطة ذرات السترونشيوم أو الإيتربيوم أو الزئبق. هذه الذرات، المبرَّدة إلى ما يقارب الصفر المطلق، تعمل مثل دولاب موازنة ضخم لا يخطئ خطوة واحدة.

صندوقان بريديان في طرفي مدينة. تضع رسالة في أحدهما، فتظهر رسالة مطابقة فورًا في الآخر. هكذا تقريبًا يعمل التشابك الكمي: جسيمان يتصرفان ككيان واحد حتى لو فُصلا عن بعضهما مسافات شاسعة. لكن حتى وقت قريب، كان الحفاظ على هذا الارتباط ممكنًا فقط داخل غرفة واحدة أو على طاولة مختبر. بمجرد أن تُبعد الجسيمات حقًا، كان الارتباط ينقطع.

عازفان في غرفتين مختلفتين يعزفان نغمة واحدة. يجب أن يكون الصوت متطابقًا لدرجة أن المستمع لا يستطيع تحديد من يعزف. في العالم الكمومي، يؤدي دور هذين العازفين مصادر الفوتونات المفردة — وهي جسيمات ضوئية يجب أن تكون غير قابلة للتمييز عن بعضها البعض. وبدون ذلك، لا يمكن بناء حاسوب كمومي ولا شبكة اتصالات آمنة.

عقدة الذاكرة الكمومية هي ماسة صغيرة تحتوي على عيب قادر على تخزين وإصدار فوتونات مفردة. لكن ضوءها له طول موجة 637 نانومتر: أحمر مثل الياقوت، ويُمتص بالكامل تقريبًا بعد بضعة أمتار فقط من الألياف البصرية القياسية. للاتصال بعيد المدى، نحتاج إلى «مترجم» يعيد تلوين الفوتون إلى نطاق الاتصالات تحت الأحمر، حيث يكون الزجاج شبه شفاف. جمع العلماء محول تردد مدمجًا داخل الألياف البصرية نفسها.

يمكن استخدام الضوء كحامل للرسائل السرية، تمامًا كحامل يَنقل الرسائل. ولكن لضمان عدم فقدان أي حرف، يجب استقباله والتحقق منه بسرعة فائقة. الشريحة الجديدة المصنوعة من غشاء رقيق من نيوبات الليثيوم تعمل كبوابة دوّارة تُفتح وتُغلق في أجزاء من المليار من الثانية، مما يسمح بمرور النبضات الضوئية في اللحظة المناسبة. في السابق، كانت هذه البوابات ضخمة وبطيئة.

المظروف البريدي العادي له شكل مستطيل، والرسالة بداخله لا تغيّر خصائص المظروف. أما مع الفوتونات — جسيمات الضوء — فالأمر مختلف: فـ«شكلها» الزمني يمكن أن يكون مختلفًا، وهذا الشكل بحد ذاته يحمل معلومات.

تحت شوارع المدن تمتد شبكة عنكبوتية من الألياف البصرية — مئات الكيلومترات من الخيوط الزجاجية التي يجري عبرها الإنترنت. لكن الخرائط الدقيقة لهذه الشبكة غالبًا ما تكون مفقودة أو قديمة. إن العثور على كابل تحت الأرض يشبه البحث عن سلك داخل جدار باللمس دون معرفة مساره. الطريقة الجديدة تحوّل الكابل نفسه إلى أذن. فالألياف البصرية المدفونة في الأرض تلتقط أدق اهتزازات التربة.

يمكن للضوء أن يحمل المعلومات أسرع من أي إلكترونيات. لكن عادةً ما يكون بين الحاسوب والليزر محول رقمي-تناظري (digital-to-analog converter) — جهاز يحول الأصفار والواحدات إلى إشارات كهربائية. وهذا الجهاز هو ما يبطئ العملية برمتها. جهاز الإرسال الجديد يستغني عن هذا الوسيط. يمر شعاع الليزر عبر عدسة مسطحة بطور قابل للتحكم — صفيحة رقيقة تلوي موجات الضوء.

تعمل الحواسيب الكمومية وأجهزة الاستشعار على ترددات الموجات الدقيقة، ولكن من الملائم نقل إشاراتها لمسافات طويلة عبر الألياف البصرية، حيث يُستخدم الضوء. لربط هذين العالمين، نحتاج إلى وسيط — جهاز يترجم الموجات الدقيقة إلى فوتونات بصرية والعكس، دون تدمير المعلومات الكمومية الهشة. في العمل الجديد، كان هذا الوسيط عبارة عن بلورة طبقية CrSBr.

شعاع الليزر الملفوف حلزونيًا يشبه قمع الماء في الحوض: فالضوء لا يتحرك للأمام فقط، بل يدور أيضًا. هذه الأشعة الدوّارة تساعد بالفعل في تحريك جسيمات متناهية الصغر ونقل المزيد من البيانات. لكن بمجرد مرورها عبر وسط غير متجانس، تتفكك الدوّامة، مثل الماء المتسرب من دلو مثقوب. الفوتونيات — علم الضوء في الرقائق الدقيقة — وجدت طريقة لاحتواء الدوّامة.

الضوء العادي يشبه حشدًا في ساحة: كل فوتون يتحرك بمفرده، يتصادم ويتفرق. لكن في بعض الأوساط، تبدأ الفوتونات، كقطيع من الكلاب، بالركض معًا — تتجمّع. ابتكر العلماء ليزرًا على ألياف عشوائية، حيث تتجمع جسيمات الضوء في أسراب كثيفة بشكل خاص. هذه الظاهرة تسمى التجمّع الفائق للفوتونات.

شعاع الليزر الثابت كوتر مشدود: إذا اهتز قليلًا، تتحول الموسيقى إلى نشاز. في الحاسوب الكمومي، يحبس الليزر الذرات في مصيدة، وأي اهتزاز في التردد يكسر الحساب. لذلك، كانت أنظمة الليزر سابقًا تشغل طاولات كاملة، وكان ضبطها يستغرق أسابيع. الآن، نجحت مجموعة من المهندسين في ضغط كل هذه البصريات في خزانة خادم واحدة — مثل تلك الموجودة في مراكز البيانات.

شعاع أخضر من مصباح يدوي يغوص في حوض السباحة ويصل إلى القاع دون أن يضعف كثيرًا. الماء شفاف للضوء الأخضر تحديدًا، لذلك يُستخدم للاتصال تحت الماء. لكن لنقل الفيديو أو البيانات من جهاز استشعار، يجب تشغيل الضوء وإطفاءه بسرعة فائقة — مليارات المرات في الثانية. الليزرات العادية بطيئة جدًا وغير مستقرة لهذا الغرض.

يدخل الضوء إلى تجويف صغير بجدران مرآتية ويصطدم بذرة إربيوم مخبأة داخل بلورة. تمتص الذرة الضوء وتقلب نواتها إلى حالة أخرى — مثل مفتاح تبديل ينقر عند الضغط عليه. لكن هذا المفتاح ليس عاديًا: فهو يخضع لقوانين العالم الكمومي ويمكن أن يكون في وضعين في نفس الوقت. هذه النواة هي بت كمومي جاهز، أو كيوبت، لشبكات المستقبل حيث تُنقل المعلومات ليس بالكهرباء بل بجسيمات ضوء مفردة.

عند درجة حرارة 0.1 كلفن — أي أعلى بثلاثة أعشار الدرجة من الصفر المطلق — تتوقف المادة عن الخضوع للقواعد المألوفة. يصبح الهيليوم فائق الميوعة: يتدفق دون احتكاك، ويتسرب عبر الشقوق، ويتصرف كسائل كمومي عملاق واحد. رؤية ما يحدث داخل هذا البرد الشديد مهمة على حافة المستحيل. بنى العلماء جهازًا يحل هذه المهمة مباشرة.

الضوء الذي يمر عبر تموجات سطح الماء يرسم أنماطًا راقصة على قاع المسبح. استخدم المهندسون فكرة مشابهة لجعل الضوء يحسب. فقد صنعوا صفيحة صغيرة ذات تضاريس متموجة — كل نتوء وانخفاض يحرف الأشعة بطريقته الخاصة. عندما تسقط صورة على هذا السطح، يتجمع الضوء المار عبره في نقاط مختلفة خلفه. السطوع في كل نقطة هو الإجابة: أي رقم أو عنصر كان في الصورة.

سحابة صغيرة من 300 ألف ذرة من الإتيربيوم، مبردة إلى ما يقارب الصفر المطلق، رُحّلت على مسار ضوئي طوله 34 سنتيمترًا — وكأننا نقلنا حمولة هشة على طريق وعر دون أن تهتز.

ترمس يحتوي زينونًا سائلًا مبرّدًا إلى مئة درجة تحت الصفر. بداخله حساسات حساسة تلتقط إشارات نادرة من جسيمات المادة المظلمة. لإخراج هذه الإشارات إلى الخارج، عادةً ما تُستخدم كابلات نحاسية. لكن على المسار الطويل تضعف الإشارة، وتبدأ الكابلات المتجاورة في "الهمس" لبعضها البعض — وهذا ما يسمى بالتداخل المتبادل. الطريقة الجديدة تعمل كمترجم من لغة الكهرباء إلى لغة الضوء.

إشارة الميكروويف التي لا تتأثر بالتداخلات ضرورية في الرادار والاتصالات. حتى الآن، كانت الإشارة النقية تُنتج في منشآت ضخمة حيث توضع الليزرات والرنانات على طاولة بصرية. الآن، جمع المهندسون كل شيء في صندوق بحجم كوب — 166 ملليلترًا. في الداخل يوجد ليزران، وتجويف بصري بجودة أعلى من $$10^8$$، وشريحة تحول الضوء إلى موجات ميكروية.

الرسائل العادية تُعترض، ولا يلاحظ أحد. ابتكر الفيزيائيون وسيلة لإنشاء سر مشترك يتحطم فورًا بنظرة دخيلة. بدلاً من الورق، تُستخدم جسيمات الضوء المفردة. هذا الارتباط الكمومي يستغل القانون: أي قياس يغير الجسم الكمومي. يشبه ذلك عملتين مرتبطتين ارتباطًا لا ينفصم. ترمي الأولى — والثانية، حتى على بُعد 100 كم، تسقط دائمًا على نفس الوجه.

الضوء الكمومي ليس مجرد تدفق من الجسيمات، بل هو نمط معقد من المكان والزمان. يمكن للفوتون الواحد أن يتمدد أو ينضغط أو ينتشر في اتجاهات مختلفة. لكن رؤية هذا النمط كاملاً بكل تقوساته لم تكن ممكنة حتى الآن: فالكاشفات التقليدية تلتقط فقط أجزاءً منفردة من الصورة، كما لو كنت تنظر إلى شكل ثلاثي الأبعاد من خلال شق في السياج. لقد ابتكر الفيزيائيون طريقة لتجاوز هذا الشق.

شعاع الضوء المُرسل من الأرض إلى القمر الصناعي يتشتت في الغلاف الجوي — مثل مصباح يدوي في الضباب. لكي لا يضيع الإشارة، نحتاج إلى ضوء ذي طول موجي قصير، يتشتت بشكل أقل. هذا الضوء يُولد في بلورات خاصة، لكن من الصعب تصغيرها إلى حجم شريحة. صنعت مجموعة من الباحثين شريحة من نيتريد السيليكون — مادة شفافة تشبه الزجاج لكنها أقوى.

الضوء العادي هو تيار من الفوتونات تتطاير بشكل عشوائي: بعضها أكثر وبعضها أقل، وفي هذه الفوضى تضيع دقة القياسات. تعلّم الفيزيائيون «تمشيط» هذا التيار، منتجين ضوءًا مضغوطًا — حيث يصبح ضجيج خاصية معينة أقل من ضجيج الفراغ. الأمر يشبه شدّ وتر: ما زال يهتز، لكنه لم يعد يتأرجح بحرية.

تخيل حجرَي ألماس اصطناعيين، يعمل كل منهما كشوكة رنانة عالية الدقة. داخل الشبكة البلورية لكل ألماسة توجد ذرة كربون-13 — وهي بت كمومي، أو كيوبت، أصغر وحدة من المعلومات الكمومية.

الكمبيوتر الكمومي يشبه أوركسترا لا تعزف إلا في صمت تام. أي ضجيج بسيط يفتت اللحن الهش. بالنسبة للأجهزة الكمومية، الحرارة هي هذا الضجيج: حتى الإشعاع تحت الأحمر الضعيف القادم من المكونات المجاورة يسخن الكيوبتات ويمحو حالاتها الكمومية. نحتاج إلى مرشح يمرر إشارات التحكم ويخمد الأشعة الحرارية. اقترح العلماء مادة من راتنج الإيبوكسي تحتوي على كرات ياقوتية صغيرة.