فريق البحث في جامعة بكين يطور أول شبكة شرائح اتصالات كمومية واسعة النطاق

أعلن الحساب الرسمي لكلية الفيزياء بجامعة بكين يوم 12 فبراير أن فريق الباحثين بقيادة البروفيسور وان جيانوي من معهد البصريات الحديثة، وفريق الباحث تشانغ لين من كلية الإلكترونيات، قد نشروا في المجلة العلمية الرائدة “طبيعة” نتائج بحثية رائدة بعنوان “شبكة اتصالات كمومية واسعة النطاق تعتمد على شرائح الضوء الكمومية المدمجة”.

نجح الفريق البحثي في تطوير شرائح مفتاحية عالية الأداء لإرسال المفاتيح الكمومية بشكل متكامل، وشرائح مصدر ترددات ضوئية من نوع الميكروكريوم الضوئي، وبناء أول شبكة توزيع مفاتيح كمومية واسعة النطاق تعتمد على شرائح الضوء الكمومية المدمجة على مستوى العالم، والتي أطلق عليها اسم “شبكة الكم غير معروفة”. تدعم هذه الشبكة 20 مستخدمًا بشكل متزامن، وتصل مسافة الاتصال بين كل زوج من المستخدمين إلى 370 كيلومترًا، متجاوزة حدود التكرار، وتصل قدرة الشبكة (عدد العملاء × مسافة الاتصال) إلى 3700 كيلومتر، مما يضعها في مقدمة المستوى الدولي من حيث حجم الشبكة وقدرتها على التوصيل.

كما أكد البحث على تفوق أنظمة المواد المصنوعة من الفوسفيد الإنديوم والسيليكون النيتريد في تصنيع الشرائح الكمومية الضوئية، مع خصائص عالية الإنتاجية، وأداء عالٍ، وقابلية توسع قوية، مما يضع أساسًا تقنيًا لإنتاج منخفض التكلفة وعلى نطاق واسع. يمثل هذا الإنجاز خطوة مهمة نحو بناء شبكات اتصالات كمومية عملية تغطي مسافات أبعد، وتحتوي على المزيد من المستخدمين، وتدعم حجمًا أكبر من الشبكات.

تستند توزيع المفاتيح الكمومية إلى مبادئ ميكانيكا الكم، وتوفر نظريًا أمانًا غير مشروط في الاتصال. حققت الصين إنجازات مهمة في مجال توزيع مفاتيح الأقمار الصناعية الكمومية وشبكات الكم المتكاملة بين الأرض والفضاء، وتتصدر العالم في هذا المجال. من بين التقنيات المهمة، يبرز بروتوكول توزيع المفاتيح الكمومية ذو الحقلين (TF-QKD)، الذي يجمع بين أمان غير مرتبط بأجهزة القياس ومزايا النقل لمسافات طويلة جدًا، حيث تمكن العلماء الصينيون من توزيع مفاتيح عبر الألياف الضوئية لمسافات تصل إلى آلاف الكيلومترات بين نقطتين. يتناسب هذا البروتوكول بشكل طبيعي مع بنية الشبكة النجومية، حيث يمكن تخصيص موارد الكشف عن الفوتونات الفائقة التوصيل باهظة الثمن في مركز الشبكة، مما يقلل بشكل كبير من تكلفة المستخدمين، ويُعتبر أحد الحلول الرئيسية لتحقيق شبكات اتصالات كمومية واسعة النطاق. ومع ذلك، فإن تنفيذ TF-QKD يتطلب استقرارًا عاليًا في التداخل بين مصادر الليزر المستقلة عن بعد، مع متطلبات عالية جدًا في تقليل ضوضاء المصدر، وتثبيت وتتبع الطور العالمي بدقة عالية. غالبية التجارب الحالية تعتمد على مكونات منفصلة أو على الألياف الضوئية، وغالبًا ما تكون أنظمة نقطة إلى نقطة بين مستخدمين اثنين.

تُعد شرائح توزيع المفاتيح الكمومية (QKD) من الطرق المهمة لتحقيق تصغير أنظمة الاتصالات الكمومية، وجعل الأجهزة عملية، وتوسيع نطاق الشبكة. منذ أن اقترحت شركة NTT اليابانية مفهوم شرائح توزيع المفاتيح الكمومية المدمجة لأول مرة في عام 2004، تطورت وظائف شرائح QKD وأجهزتها بشكل مستمر على مدى أكثر من عشرين عامًا، مع تحسين الأداء بشكل ملحوظ. عمل فريق جامعة بكين في هذا المجال لسنوات طويلة، وحقق العديد من الإنجازات الرائدة عالميًا، بما في ذلك توزيع التشابك الكمومي بين شريحتين ونقل الحالة الكمومية بشكل خفي [Nature Physics 16, 148 (2020)]، وشبكة كمومية متعددة الشرائح ذات التشابك عالي الأبعاد [Science 381, 221 (2023)]، بالإضافة إلى شرائح تشابك اللولب الضوئي المستخدمة في الاتصالات الفضائية [Nature Photonics 19, 471 (2025)]. منذ عام 2019، واصل المختبر البحث في شرائح QKD وشبكات الكم، وبعد أكثر من ست سنوات من التراكم التقني، حقق تقدمًا مهمًا في تطوير شبكة توزيع المفاتيح الكمومية ذات الحقلين، مع إنجازات منهجية لمواجهة التحديات في شبكات اتصالات كمومية طويلة المدى ومتعددة المستخدمين.

الشكل 1: شبكة توزيع المفاتيح الكمومية الواسعة باستخدام شرائح الضوء الكمومية “غير معروفة”: أ، هيكل شبكة شرائح توزيع المفاتيح الكمومية ذات الحقلين. ب، صورة حقيقية ل20 شريحة QKD وشرائح مصدر الميكروكريوم الضوئي.

在 تطبيقات TF-QKD النموذجية، يتطلب توزيع ترددات وطور مرجعية بين المستخدمين لبناء تداخل متماسك بين ليزرين مستقلين عن بعد، ويتم الحصول على المفاتيح الآمنة عبر تداخل فوتون واحد غير موثوق به عند العقد غير الموثوق بها. استخدم الفريق تقنية التضاعف الطيفي لبناء شبكة اتصالات كمومية واسعة، بحيث يمكن للمستخدمين إرسال إشارات كمومية بشكل متزامن. بعد نقل الإشارة عبر الألياف الضوئية لمسافات طويلة إلى خادم مركزي، يتم فك التداخل، والتداخل، والكشف عن الفوتونات بشكل مستقل، لاستخراج المفاتيح الآمنة. الهيكل التقليدي المبني على مكونات ضوئية منفصلة ومتعددة الأطياف معقد جدًا، بينما توفر تقنية الشرائح الضوئية مسارًا لتحقيق تصغير النظام واستقراره العالي. في هذا العمل، استخدم الفريق في الخادم المركزي مصدر ترددات ضوئية من نوع الميكروكريوم السيليكوني عالي الجودة، والذي يعمل كمصدر بذرة، ويولد ترددات ضوئية متطابقة مع الطور عبر قفل ذاتي بالحقن، دون الحاجة إلى أنظمة إلكترونية معقدة أو ليزر مكتبي. يتم توزيع طيف الترددات عبر الألياف إلى جميع المستخدمين، حيث يتم فك التداخل. يستخدم كل من المستخدمين 20 شريحة كمومية إنديوم، تحتوي على جميع الوظائف الأساسية مثل الليزر، والمشوش، والمخفض، ووحدات الترميز وفك الترميز، مما يحقق حلاً منخفض التكلفة وعالي الأداء لتشغيل المستخدمين. يتم قفل ليزر المستخدمين المحليين بواسطة مصدر ترددات الميكروكريوم، مما يقلل بشكل كبير من ضوضاء الطور. بعد ذلك، يتم ترميز الحالة الكمومية باستخدام حالات ضعيفة متماسكة، ثم تُرسل عبر الألياف إلى الخادم، حيث يتم التداخل والقياس، لتحقيق توزيع المفاتيح الآمنة. يوضح الشكل 1 الهيكل الكامل للشبكة.

الشكل 2: أداء شرائح الضوء الكمومية المدمجة. أ، مصدر ليزر من نوع السيليكون عالي الجودة من نوع الميكروكريوم في الخادم المركزي. ب، طيف طيف الميكروكريوم الضوئي. ج، كثافة طاقة ضوضاء التردد لكل سن من طيف الميكروكريوم. د، شريحة إرسال QKD كاملة التكامُل من نوع إنديوم. هـ، نطاق الترددات للليزر على الشريحة للمستخدمين. و، جهد نصف الموجة للمشوش على الشريحة وعمق التعديل.

يعرض الشكل 2 الأداء الرئيسي لشرائح الميكروكريوم وشرائح QKD المرسلة. أظهر التداخل الذاتي بالحقن بشكل واضح تقليل ضوضاء الطور عند إنتاج طيف الميكروكريوم الضوئي، الذي يعمل في نطاق 1550 نانومتر، مع نطاق طيفي حر يبلغ 30 جيجاهرتز. بعد القفل، يكون ضوضاء الترددات على سنون الطيف حوالي 13 Hz²Hz-1، مع خط أساس أبيض يبلغ حوالي 40 Hz، مما يدل على تماسك ممتاز، ويمكن تشغيله بشكل مستمر لأكثر من 12 ساعة. يُظهر الشكل 2 د تصميم شريحة إرسال QKD من نوع إنديوم، مع صورة حقيقية بعد التعبئة الكهربائية. نطاق التعديل لليزر المدمج مع مرآة براجد الموزعة (DBR) كما في الشكل 2 هـ، وعند القفل بالحقن، يمكن أن يتطابق تردد الطور مع مصدر البذرة بدرجة عالية، مع عرض خط يبلغ مستوى مماثل. أظهرت نتائج الاختبار لـ120 جهاز طور على 20 شريحة، أن جهد نصف الموجة المتوسط حوالي 5.8 فولت، ونسبة التداخل تتجاوز 33 ديسيبل، وبلغت نسبة الأداء الجيد 97.5%، مع 117 جهازًا يعمل بشكل طبيعي. من الجدير بالذكر أن الدراسة أثبتت أن شرائح الميكروكريوم وشرائح QKD تظهر توافقًا عاليًا وإنتاجية عالية على مستوى الرقاقة، مما يدل على إمكانية تصنيعها بكلفة منخفضة وعلى نطاق واسع، وهو أمر حاسم لبناء شبكات اتصالات كمومية واسعة النطاق.

الشكل 3: نتائج تجارب شبكة شرائح TF-QKD متعددة المستخدمين. أ، ب، ج، تقلبات الطور في قنوات الألياف الطويلة. د، هـ، معدلات الخطأ. و، ز، أداء تشفير 20 شريحة للمستخدمين.

قام الفريق ببناء شبكة كمومية متعددة الشرائح، تتيح تشغيلًا متزامنًا للبث والإرسال بدون بروتوكول TF-QKD. من خلال إدخال خطة تتبع الطور ذات القناتين، على الرغم من أن الضوء المرجعي (الشكل 3 أ) والضوء الكمومي (الشكل 3 ب) يتعرضان لتقلبات سريعة في الطور على طول الألياف، إلا أن تداخلهما عبر الألياف المشتركة، وكونهما من مصدر ترددات ضوئية متماسك جدًا، يجعل الفارق في الطور بينهما يتغير ببطء (الشكل 3 ج)، مما يتيح تصحيح الطور بشكل فعال عبر مراقبة الضوء المرجعي. قام الفريق بتقييم تأثير التداخل الطيفي غير المرغوب فيه والضوضاء الناتجة عن رامان غير خطي، وبتحسين الفلاتر، قللوا مستوى الضوضاء إلى مستوى قريب من عداد العدسات المظلمة للكاشف. في النهاية، حققت الشبكة تشغيلًا منخفض معدل الخطأ على مسافات 204 و370 كيلومترًا، وتجاوزت الحد الأقصى لمعدل الخطأ بدون تكرار (PLOB bound) عند مسافة 370 كيلومترًا، وارتفعت نسبة الأداء إلى أقصى حد بنسبة تصل إلى 251.4% مقارنة بالحد النظري (الشكل 3 ف، ج). بالإضافة إلى ذلك، على مسارات أسفلية أطول (تساوي طول حلقة الألياف 490 كيلومترًا)، استمرت الشبكة في الحفاظ على تتبع الطور بشكل مستقر وتحقيق التشفير الآمن، مما يثبت إمكانية تطبيق هذا النهج في شبكات كمومية حقيقية.

(المصدر: وكالة التمويل المالي)