الذاكرة الكمومية

تُرسل الإشارات الضوئية التقليدية بتغيير سعة الضوء. في هذه الحالة، يمكن استخدام ورقة أو قرص صلب للحاسوب لتخزين المعلومات على المصباح . أما في سيناريو المعلومات الكمومية، فيمكن ترميز المعلومات وفقًا لسعة الضوء وطوره. بالنسبة لبعض الإشارات، لا يمكن قياس كل من سعة الضوء وطوره دون التأثير على الإشارة. لتخزين المعلومات الكمومية، يجب تخزين الضوء نفسه دون قياسه. تقوم ذاكرة كمومية من الغاز الذري بتسجيل حالة الضوء في السحابة الذرية. عندما تُخزن معلومات الضوء بواسطة الذرات، تُربط السعة النسبية للضوء وطوره بالذرات، ويمكن استرجاعها عند الطلب. ^{[ 4 ]}

في الحوسبة التقليدية ، تُعدّ الذاكرة موردًا بسيطًا يُمكن نسخه في أجهزة ذاكرة طويلة الأمد واسترجاعه لاحقًا لمزيد من المعالجة. أما في الحوسبة الكمومية، فهذا ممنوع، لأنه وفقًا لنظرية عدم الاستنساخ ، لا يُمكن إعادة إنتاج أي حالة كمومية بشكل كامل. لذلك، في غياب تصحيح الأخطاء الكمومية ، يكون تخزين الكيوبتات محدودًا بزمن التماسك الداخلي للكيوبتات الفيزيائية التي تحمل المعلومات. ستكون "الذاكرة الكمومية" التي تتجاوز حدود تخزين الكيوبتات الفيزيائية المحددة عبارة عن نقل معلومات كمومية إلى "كيوبتات تخزين" لا تتأثر بسهولة بالضوضاء البيئية أو غيرها من العوامل. تُنقل المعلومات لاحقًا إلى "كيوبتات المعالجة" المُفضّلة للسماح بعمليات أو قراءات سريعة. ^{[ 5 ]}

حظي مركز النيتروجين-الفراغ في الماس باهتمام بحثي واسع النطاق خلال العقد الماضي نظرًا لأدائه المتميز في الأجهزة النانوية الضوئية. وفي تجربة حديثة، تم تطبيق الشفافية المستحثة كهرومغناطيسيًا على شريحة ماسية متعددة المسارات لتحقيق استشعار كامل للمجال الكهروضوئي المغناطيسي. وعلى الرغم من هذه التجارب ذات الصلة الوثيقة، لم يُطبَّق التخزين الضوئي عمليًا بعد. إن بنية مستويات الطاقة الحالية لمركز النيتروجين-الفراغ (مركز النيتروجين-الفراغ ذو الشحنة السالبة ومركز النيتروجين-الفراغ المتعادل) تجعل التخزين الضوئي لمركز النيتروجين-الفراغ في الماس ممكنًا.

يُتيح التفاعل بين مجموعة دوران النيتروجين-الفراغ والكيوبتات فائقة التوصيل إمكانية تخزين الكيوبتات فائقة التوصيل باستخدام الموجات الميكروية. ويجمع التخزين البصري بين تفاعل حالة دوران الإلكترون والبتات الكمومية فائقة التوصيل، مما يُمكّن مركز النيتروجين-الفراغ في الماس من لعب دور في النظام الكمومي الهجين للتحويل المتبادل بين الضوء المتماسك والموجات الميكروية. ^{[ 11 ]}

يُعدّ عمق الرنين الضوئي الكبير شرطًا أساسيًا لبناء ذاكرة بصرية كمومية فعّالة. تتميز نظائر بخار المعادن القلوية بعمق بصري كبير في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة ، نظرًا لضيق خط طيفها نسبيًا وكثافتها العالية في درجات حرارة تتراوح بين 50 و100 درجة مئوية. وقد استُخدمت أبخرة المعادن القلوية في بعض أهم تطورات الذاكرة، بدءًا من الأبحاث المبكرة وصولًا إلى أحدث النتائج التي نناقشها، وذلك بفضل عمقها البصري الكبير، وزمن تماسكها الطويل، وسهولة انتقالها الضوئي في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة.

نظراً لقدرتها العالية على نقل المعلومات، يتزايد الاهتمام بتطبيقاتها في مجال المعلومات الكمومية. يمكن للضوء المُهيكل أن يحمل زخمًا زاويًا مداريًا ، والذي يجب تخزينه في الذاكرة لإعادة إنتاج الفوتونات الهيكلية المخزنة بدقة. تُعد ذاكرة البخار الذري الكمومية مثالية لتخزين هذه الحزم، حيث يمكن ربط الزخم الزاوي المداري للفوتونات بطور وسعة إثارة التكامل الموزع. يُعد الانتشار أحد أبرز عيوب هذه التقنية، إذ تُؤدي حركة الذرات الساخنة إلى تدمير التماسك المكاني لإثارة التخزين. من بين النجاحات المبكرة تخزين نبضات ضعيفة التماسك ذات بنية مكانية في كتلة ذرية دافئة فائقة البرودة. في إحدى التجارب، تمكن نفس الفريق من العلماء، داخل مصيدة مغناطيسية بصرية من السيزيوم ، من تخزين واسترجاع حزم متجهة على مستوى الفوتون الواحد. ^{[ 12 ]} تحافظ الذاكرة على ثبات دوران شعاع المتجه، مما يجعل من الممكن استخدامها بالاقتران مع الكيوبتات المشفرة للاتصال الكمي المناعي غير المتكيف.

تم تحقيق أول بنية تخزين، وهي عبارة عن فوتون مفرد حقيقي، باستخدام الشفافية المستحثة كهرومغناطيسيًا في مصيدة مغناطيسية ضوئية من الروبيديوم. يتم تحضير الفوتون المفرد المتوقع، الناتج عن المزج التلقائي لأربع موجات في إحدى المصائد المغناطيسية الضوئية، بواسطة وحدة زخم زاوي مداري باستخدام صفائح طور حلزونية، ثم يُخزن في المصيدة المغناطيسية الضوئية الثانية ويُستعاد. كما يثبت إعداد المدار المزدوج التماسك في الذاكرة متعددة الأنماط، حيث يخزن فوتون مفرد مُعلن عنه مسبقًا حالة تراكب الزخم الزاوي المداري لمدة 100 نانوثانية. ^{[ 11 ]}

ذاكرة صدى التدرج (GEM) هي بروتوكول لتخزين المعلومات البصرية، ويمكن تطبيقها على كلٍ من ذاكرة الغاز الذري وذاكرة الحالة الصلبة. وقد تم إثبات هذه الفكرة لأول مرة من قبل باحثين في الجامعة الوطنية الأسترالية (ANU) . أظهرت التجربة التي أُجريت على نظام ثلاثي المستويات يعتمد على بخار ذري ساخن، تخزينًا متماسكًا بكفاءة تصل إلى 87%. ^{[ 13 ]}

طُرحت ظاهرة الشفافية المستحثة كهرومغناطيسيًا (EIT) لأول مرة من قِبل هاريس وزملائه في جامعة ستانفورد عام 1990. ^{[ 14 ]} أظهر هذا العمل أنه عندما يُحدث شعاع الليزر تداخلًا كميًا بين مسارات الإثارة، تتغير الاستجابة البصرية للوسط الذري، مما يُزيل الامتصاص والانكسار عند ترددات الرنين للانتقالات الذرية. ويمكن تحقيق الضوء البطيء والتخزين البصري والذاكرة الكمومية بالاعتماد على ظاهرة EIT. وعلى عكس الطرق الأخرى، تتميز ظاهرة EIT بفترة تخزين طويلة، كما أنها حل سهل التنفيذ وغير مكلف نسبيًا. فعلى سبيل المثال، لا تتطلب الشفافية المستحثة كهرومغناطيسيًا أشعة التحكم عالية الطاقة التي تُستخدم عادةً في ذاكرة رامان الكمومية، ولا تتطلب استخدام درجات حرارة الهيليوم السائل . إضافةً إلى ذلك، يمكن قراءة بيانات EIT باستخدام صدى الفوتون مع الحفاظ على تماسك الدوران نتيجةً لتأخير نبضة القراءة الناتج عن استعادة الدوران في الأوساط غير المتجانسة التوسع. على الرغم من وجود بعض القيود على طول الموجة التشغيلية وعرض النطاق الترددي وسعة النمط، فقد طُوّرت تقنيات لجعل الذاكرة الكمومية القائمة على ظاهرة الشفافية الكهرومغناطيسية المستحثة (EIT) أداةً قيّمة في تطوير أنظمة الاتصالات الكمومية . ^{[ 11 ]} في عام 2018، أظهرت ذاكرة بصرية عالية الكفاءة قائمة على ظاهرة EIT في ذرات باردة كفاءة تخزين واسترجاع بلغت 92% في النظام الكلاسيكي باستخدام حزم متماسكة ^{[ 15 ]} ، كما تم إثبات كفاءة تخزين واسترجاع بلغت 70% لكيوبتات الاستقطاب المشفرة في حالات متماسكة ضعيفة، متفوقةً بذلك على أي معيار كلاسيكي. ^{[ 16 ]} بعد هذه التجارب، تم تخزين كيوبتات استقطاب الفوتون الواحد عبر ظاهرة EIT في مجموعة ذرية باردة ^{من 85} روبيديوم، واستُرجعت بكفاءة 85% ^{[ 17 ]} ، كما تم تحقيق التشابك بين ذاكرتي كموميتين قائمتين على السيزيوم بكفاءة نقل إجمالية تقارب 90%. ^{[ 18 ]}

يركز علم المعلوماتية الكمومية على التحويل المتبادل للمعلومات الكمومية بين الضوء والمادة . وتُدرس حاليًا التفاعلات بين فوتون واحد وبلورة مبردة مُطعّمة بأيونات العناصر الأرضية النادرة . تتمتع البلورات المُطعّمة بالعناصر الأرضية النادرة بآفاق تطبيق واسعة في مجال التخزين الكمومي، نظرًا لما توفره من نظام تطبيق فريد. ^{[ 19 ]} تُعد بلورات العناصر الأرضية النادرة واعدة لما تتمتع به من أزمنة تماسك ضوئي ودوراني طويلة، مما يُمكنها من تكوين حالات تشابك طويلة الأمد بين الدوران والفوتون أو الدوران والدوران. ^{[ 20 ]} ويعود طول أزمنة التماسك إلى...${\displaystyle 4f}$يتم حجب انتقالات الإلكترون بواسطة الغلاف الخارجي${\displaystyle 5s}$و${\displaystyle 5p}$تتميز هذه التقنية بأغلفة واقية تحميها من التشويش الخارجي. وقد لوحظت فترات تخزين تصل إلى 20 مللي ثانية بدقة 85% باستخدام هذه المنصة. ^{[ 21 ]} طور لي تشنغ فنغ، من مختبر المعلومات الكمومية التابع للأكاديمية الصينية للعلوم، ذاكرة كمومية صلبة، وأثبت وظيفة الحوسبة الضوئية باستخدام الزمن والتردد. وبناءً على هذا البحث، يمكن إنشاء شبكة كمومية واسعة النطاق تعتمد على مُكرِّر كمومي، وذلك بالاستفادة من تخزين وتماسك الحالات الكمومية في النظام المادي. وقد أظهر الباحثون ذلك لأول مرة في بلورات مُطعَّمة بأيونات العناصر الأرضية النادرة. ومن خلال دمج الفضاء ثلاثي الأبعاد مع الزمن ثنائي الأبعاد والطيف ثنائي الأبعاد، يتم ابتكار نوع من الذاكرة يختلف عن الذاكرة التقليدية. تتميز هذه الذاكرة بسعة متعددة الأنماط، ويمكن استخدامها أيضًا كمُحوِّل كمومي عالي الدقة. تُظهر النتائج التجريبية أنه في جميع هذه العمليات، يمكن الحفاظ على دقة الحالة الكمومية ثلاثية الأبعاد التي يحملها الفوتون عند حوالي 89%. ^{[ 22 ]}

يتميز الماس بكسب رامان عالٍ جدًا في نمط الفونون الضوئي عند تردد 40 تيراهيرتز، ونافذة عابرة واسعة في نطاق الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة، مما يجعله مناسبًا ليكون ذاكرة ضوئية ذات نطاق ترددي واسع جدًا. بعد تفاعل تخزين رامان، يتحلل الفونون الضوئي إلى زوج من الفوتونات عبر القناة، ويبلغ عمر التحلل 3.5 بيكو ثانية، مما يجعل ذاكرة الماس غير مناسبة لبروتوكولات الاتصال.

ومع ذلك، فقد سمحت ذاكرة الماس بإجراء بعض الدراسات الكاشفة للتفاعلات بين الضوء والمادة على المستوى الكمي: يمكن استخدام الفونونات الضوئية في الماس لإثبات ذاكرة الانبعاث الكمي، والتشابك العياني، وتخزين الفوتون المفرد المتوقع مسبقًا، والتلاعب بتردد الفوتون المفرد. ^{[ 11 ]}