طابعة ثلاثية الأبعاد تساعد في بناء اتصالات كمية آمنة

قد يؤدي الاختراق في تكنولوجيا النانو إلى إحداث ثورة في مجال الاتصالات الكمومية الآمنة. فقد نجح الباحثون في استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء نظام بصري قادر على نقل الفوتونات الفردية بدقة نانومترية.

تعزيز الاتصالات الكمومية

ويشكل هذا التقدم مفتاحًا لتعزيز الاتصالات الكمومية، وهو مجال سريع النمو يعتمد على نقل البيانات بدرجة عالية من الأمان.

ووفقا لموقع (advancedsciencenews) تعتمد الاتصالات الكمومية على ترميز المعلومات في الحالات الكمومية للفوتونات، وهي الجسيمات الأساسية التي تشكل الضوء وغيره من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي. ووفقًا للقوانين الأساسية لميكانيكا الكم، فمن المستحيل قياس حالة الجسيم دون تغييره.

وهذا يضمن إمكانية اكتشاف أي محاولات للتنصت من قبل الأطراف المتواصلة. ومع ذلك، في حين أن هذا النوع من الأمان سليم من الناحية النظرية، فإن تنفيذه العملي يواجه تحديات كبيرة.

مشكلة الاتصالات الكمومية

إن إحدى العقبات الرئيسية في مجال الاتصالات الكمية هي صعوبة إنتاج أجهزة إرسال كمية موثوقة، على الرغم من أن التطورات الأخيرة جعلت هذا الأمر أكثر جدوى.

قال هارالد جيسن، الأستاذ بجامعة شتوتغارت في ألمانيا والمؤلف الرئيسي للدراسة، في رسالة بالبريد الإلكتروني: “المصدرات الكمومية هي مصادر ضوء تصدر فوتونًا واحدًا فقط في كل مرة”. ” النقاط الكمومية شبه الموصلة ، كما تستخدم في حالتنا، هي مصدر ضوء شائع للمصدر الكمومي. تشمل المصادر الكمومية الأخرى عيوبًا في نترات البورون السداسية أو مراكز النيتروجين الشاغرة في الماس “.

إن التحدي الرئيسي الآخر هو الحاجة إلى تحديد المواقع بدقة شديدة للمكونات المختلفة داخل الجهاز البصري المطلوب لتنفيذ تبادل المعلومات. وإذا لم يتم الحفاظ على هذه الدقة، فقد تضيع المعلومات، مما يقوض سلامة الاتصال.

وكتب فريق البحث في ورقتهم البحثية المنشورة في مجلة Advanced Quantum Technologies : “يلعب تحديد المواقع الدقيقة للعناصر البصرية دورًا رئيسيًا في أداء الأنظمة البصرية، في حين أن تقنيات التصنيع الإضافي مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد تمكن من إنشاء عدسات دقيقة معقدة بالكامل في خطوة واحدة، مما يجعل محاذاة العدسات غير ضرورية”.

“على سبيل المثال، من أجل ربط الباعثات الكمومية بالألياف [البصرية] بكفاءة، وهي خطوة حاسمة في تطوير شبكات الكم في العالم الحقيقي، فإن المحاذاة الدقيقة بين الباعث وبصريات الربط والألياف [البصرية] لها أهمية قصوى.”

ولإزالة هذا التعقيد والقيود، لجأ الفريق إلى آلة الطباعة ثلاثية الأبعاد Photonics Professional GT من شركة Nanoscribe GmbH. وتشتهر هذه الطابعة المتطورة بقدرتها على تحقيق دقة النانومتر، مما يجعلها مثالية للتطبيقات في مجال الفوتونيات وتكنولوجيا النانو.

وأوضح جيسن أن “طابعة Nanoscribe ثلاثية الأبعاد تستخدم ليزر فيمتوثانية بطول موجي 780 نانومتر، والذي يتم تركيزه بإحكام باستخدام عدسة مجهر ذات فتحة رقمية عالية في مادة حساسة للضوء تسمى المقاومة الضوئية”.

من خلال تحريك تركيز الليزر عبر المادة في جميع الاتجاهات الثلاثة (أعلى وأسفل ومن جانب إلى جانب)، يمكن للآلة إنشاء أشكال ثلاثية الأبعاد معقدة. يمكن أن تكون هذه الأشكال مفصلة بشكل لا يصدق، مع ميزات صغيرة يصل عرضها إلى 160 نانومترًا وارتفاعها 500 نانومتر، وهو أصغر بكثير من عرض شعرة الإنسان. 

دقة عالية للشبكات الكمومية الآمنة

وباستخدام هذا الجهاز، تمكنوا من طباعة عدسة مخصصة ثلاثية الأبعاد يمكنها التقاط الضوء غير الموجه المنبعث من مصدر كمي وتشكيله في شعاع مركّز. ويمكن بعد ذلك تركيز هذا الشعاع مباشرة على قلب الألياف الضوئية بمساعدة عدسة أخرى، تم طباعتها ثلاثية الأبعاد على نهاية الألياف. وللحفاظ على المحاذاة المثالية، قام الفريق أيضًا بطباعة ظرف مخصص لتثبيت النظام بأكمله بشكل آمن.

سمحت المرحلة الكهرضغطية المتكاملة للطابعة ثلاثية الأبعاد – وهي جهاز تحديد المواقع الدقيق الذي يستخدم مواد كهرضغطية لإجراء حركات دقيقة للغاية – بإجراء تعديلات على مستوى النانومتر استجابةً لحقل كهربائي. وقد وفر هذا للباحثين الدقة اللازمة لنقل الفوتونات عند عتبة تعتبر ضرورية لنقل المعلومات الكمية بشكل موثوق.

وكانت عمليات المحاكاة الحاسوبية السابقة قد أظهرت أن الوصول إلى معدل النقل هذا يتطلب محاذاة المكونات بدقة أفضل من 100 نانومتر.

“لقد قمنا بالتحقيق في دقة تحديد المواقع لآلة الطباعة ثلاثية الأبعاد Photonics Professional GT لتصنيع مصدر الفوتون الأحادي المقترن بالألياف الضوئية،” كتب الفريق. “بالنظر إلى 38 عينة اختبار، وجدنا خطأ في المحاذاة الجانبية يبلغ عشرات النانومتر في [كلا الاتجاهين العموديين على شعاع الضوء].”

ورغم أن نتائج الفريق تمثل تقدماً كبيراً في ابتكار أنظمة بصرية عالية الدقة للاتصالات الكمومية، فإنهم يعترفون بأن هناك حاجة إلى مزيد من التحسينات قبل أن يتسنى نشر هذه الأنظمة تجارياً. ويهدف عملهم المستقبلي إلى تحسين عملية الإنتاج لجعلها أكثر كفاءة وموثوقية وفعالية من حيث التكلفة.

“وفي النهاية، يمكن تحديد أنماط انبعاث النقاط الكمومية أو غيرها من الباعثات الكمومية وتحسينها تلقائيًا”، كما أوضح جيسن. “ثم يتم تصميم المكونات البصرية المناسبة وإعدادها للطباعة ثلاثية الأبعاد. وسيعمل نظام المحاذاة التلقائي، الدقيق في حدود عشرات النانومتر، على وضع البصريات بدقة مباشرة على الباعثات الكمومية”.

وأضاف أن “النظام سيقوم بعد ذلك بإدخال الألياف ولصقها تلقائيًا باستخدام بصريات دقيقة مطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد، مما يربط أجهزة الإرسال الكمومية بالألياف أحادية الوضع. ويمكن لمثل هذا النظام أن ينتج آلاف العقد الكمومية يوميًا، مما يمهد الطريق لشبكات آمنة كمومية في المستقبل”.