عندما تلتقي الذرة والفوتونين...

يؤكد لنا العلماء والخبراء أن عالم الحوسبة سيتغير تمامًا في اليوم الذي تدخل فيه أجهزة الكمبيوتر الكمومية حيز التشغيل وتحل محل أجهزة الكمبيوتر "العادية" اليوم. مقابلة مع الدكتور باراك ديان من معهد وايزمان الذي يقوم بإنشاء مختبر جديد في المعهد لتطوير الأجهزة الكمومية العملية

بقلم: ياكي ديان*

يؤكد لنا العلماء والخبراء أن عالم الحوسبة سيتغير تمامًا في اليوم الذي تدخل فيه أجهزة الكمبيوتر الكمومية حيز التشغيل وتحل محل أجهزة الكمبيوتر "العادية" اليوم. ويتوقعون أن عالمنا بأكمله سوف يتغير إلى درجة لا يمكن التعرف عليها. لكن في هذه الأثناء، فإن الأجهزة التي تنتج بوابات كمومية فردية (تمكنوا في معهد معين من إنشاء بوابة 8 بت تعتمد على الحوسبة الكمومية) كبيرة ومرهقة وتشغل غرفًا كبيرة مليئة بالمعدات.

ويأمل الدكتور باراك ديان، أحد كبار الباحثين في معهد وايزمان للعلوم، أن يتمكن المختبر الجديد الذي يقوم بإنشائه في المعهد من تطوير أجهزة كمومية عملية، مما قد يؤدي إلى طفرة في تطبيق الحوسبة الكمومية. لدى باراك ما يمكن الاعتماد عليه. قبل بضعة أشهر فقط، عاد من إقامة لمدة ثلاث سنوات في أحد مراكز البصريات الكمومية بلا منازع، في الحرم الجامعي المرموق لمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في لوس أنجلوس، تحت قيادة البروفيسور جيف كامبل. خلال إقامته هناك، تمكن باراك من إكمال تجربتين فريدتين بنجاح عززتا الجانب العملي للبصريات الكمومية وتم نشرهما في اثنتين من المجلات المرموقة في هذا المجال - "العلم" و"الطبيعة".

يقول ديان: "عندما بدأت أطروحتي للدكتوراه في معهد وايزمان للعلوم، كنت أتطلع إلى القيام بشيء مثير للاهتمام، وأصيل، وذو طبيعة تطبيقية". "كان من الواضح بالنسبة لي أن الاتجاه كان في البصريات الكمومية، وهي أحدث أبحاث الفيزياء هذه الأيام. في البداية، مثل أي باحث، توصلت إلى الكثير من الأفكار المثيرة للاهتمام ولكنها غير صحيحة، وعندما وجدت بالفعل أفكارًا مثيرة للاهتمام كانت أيضًا صحيحة من الناحية النظرية، رأيت أنها لم تعد أصلية - فقد قام بها شخص ما من قبل، و ظهر اسم جيف كيمبال من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا مرارًا وتكرارًا كشخص قام بالفعل بتنفيذ هذه الأفكار. لقد أثار اهتمامي - من هو منافسي الذي يمسك بي طوال الوقت؟" وكان الاستمرار واضحا. بعد حصوله على درجة الدكتوراه، ذهب ديان إلى معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا لمواصلة البحث تحت إشراف الأسطوري جيف كيمبال.

عندما زرت باراك في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا قبل عدة سنوات، استقبلتني المروج الخضراء والمباني الرائعة والجميلة. في قبو أحد المباني، بعيدًا عن ضوء النهار، عمل دايان وفريقه على تطوير شريحة سيليكون تسمح بالتفاعل بين ذرة واحدة وفوتون واحد. على عكس الفيزيائيين الذين يدرسون تدفق الفوتونات (الضوء) أو مجموعات الذرات، فإن الباحثين في مجال البصريات الكمومية يحبون اللعب بذرة واحدة أو فوتون واحد. ولم يتمكن سوى عدد محدود جداً من المختبرات من الوصول إلى الإنجاز التكنولوجي المتمثل في "حبس" ذرة واحدة وتقريب فوتون واحد منها لقياس التفاعلات بينها. كان التطور الأول لديان بمثابة إنجاز تكنولوجي هو الأول من نوعه في العالم باستخدام جهاز واحد من السيليكون تم تصنيعه في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا يتيح هذا التفاعل، ويحل محل الأدوات الكبيرة والمرهقة. وفي المستقبل، يمكن لمثل هذا التطور أن يساعد في تصغير تكنولوجيا أجهزة الكمبيوتر الشخصية. أدى هذا الإنجاز إلى نشر ديان وفريقه في مجلة "Nightsher" المرموقة عام 2006.

كان ديان مصمماً على المضي قدماً وإنجاز شيء آخر قبل العودة إلى إسرائيل. ويتمثل التحدي في السماح لفوتون واحد بالتأثير على فوتون آخر. الفوتونات في الطبيعة لا تؤثر على بعضها البعض. عندما ننظر إلى شخص آخر، فإن استمرارية الضوء بيننا لا ينقطعها الضوء الذي يعبره في طريقه. لقد جرب شيئًا آخر، وهو استخدام ذرة واحدة لنقل المعلومات من فوتون إلى آخر وإنشاء تفاعل بينهما. حاولت - ونجحت. "لقد تمكنا من خلق موقف حيث يسمح فوتون واحد يمر عبر الذرة للذرة بإنشاء حاجز يدوم عدة أجزاء من المليارات من الثانية، مما يمنع مرور الفوتون الذي يتبعه. ويظهر هذا التعريض لمدة قصيرة جدًا من الزمن، ويسمح لأول مرة لفوتون واحد بالتداخل مع مرور فوتون آخر، من خلال وساطة الذرة. ولتوضيح هذه الظاهرة لزملائه، يستخدم ديان مثالا مأخوذا من سلسلة رسوم متحركة شهيرة. هل تتذكر ذلك الطائر الذي يهرب دائمًا من ثعلب البراري - اللطيف - الذي يحاول الإمساك به؟ وفي أحد الفيديوهات، يرسم الثعلب فتحة نفق على جانب الجبل. عندما يصل Roadrunner، تمكن، لمفاجأة الثعلب، من المرور عبر النفق. يحاول الثعلب المتفاجئ أيضًا المرور عبر اللوحة - ويصطدم بصخرة.

"لماذا هو جيد؟ ما الذي يمكن فعله به؟" انا اسأل. ديان يبتسم. لقد اعتاد على هذا السؤال. فكر في عالم الاتصالات اليوم، الذي يعتمد على نقل المعلومات باستخدام الضوء في الألياف الضوئية. اليوم، عندما تصل المعلومات من تل أبيب إلى حيفا إلى المحول في هرتسليا، يجب على المعدات الإلكترونية تنظيم حركة المرور بحيث يمكن للمعلومات من مكان آخر الانضمام أو المرور عبر نفس الوسيط. يحاول عالم الاتصالات اليوم تحقيق علامة تجارية تعتمد كليًا على البصريات. فكر في اليوم الذي ستكون فيه الفوتونات القادمة من تل أبيب قادرة على إرسال إشارة إلى الفوتونات الأخرى "انتظر لحظة، نحن نمر". لا يزال الانتقال من المختبر التجريبي إلى التطبيق في وسائل الإعلام بعيدًا، ولكن هذا الإنجاز أدى إلى نشره في مجلة أكثر شهرة، "العلم"، في أبريل 2008.

مع الانتهاء من التجربة، غادر ديان معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا أخيرًا وعاد إلى معهد وايزمان للعلوم لإنشاء مختبر في البصريات الكمومية الذي يواصل البحث ومحاولة تطوير المزيد من الأجهزة العملية. ويرى ديان أن عدد المختبرات في العالم التي تمتلك تكنولوجيا مماثلة أقل من أصابع اليد الواحدة. "إذن ما هو الاتجاه التالي؟" . يجيب ديان: "بالنسبة لي، التحدي التالي هو إيجاد طريقة عملية لاكتشاف أن الفوتون قد مر هنا، دون تدميره". اليوم، نعلم أن الفوتون مر بإيقافه. ما هو مماثل ل؟ دعونا نضع جدارًا خرسانيًا في منتصف الطريق، وعندما تصطدم به سيارة وتتحطم، نقول - انظر، اكتشفنا أن سيارة مرت هنا. ونحن نعلم اليوم أن الضوء يمر عن طريق حجب الفوتونات وامتصاص الطاقة المنبعثة عندما تتوقف. ويختتم ديان حديثه قائلاً: "أعرف ما أريد اكتشافه، لكنني لا أعرف بعد كيفية القيام بذلك، ولكن عندما نتمكن من تطويره، سيكون له تطبيقات رائعة".

تمت كتابته كجزء من دورة "العلم في الاتصال" في التخنيون