باستخدام الضوء الكمي.. عالم مصري يفتح الباب لتشفير لا يمكن اختراقه

في حال واجهت مشكلة في مشاهدة الفيديو، إضغط على رابط المصدر للمشاهدة على الموقع الرسمي

حقق فريق بحثي يقوده العالم المصري محمد ثروت حسن، أستاذ الفيزياء بجامعة أريزونا، إنجازا يمكن أن يؤثر في مستقبل الاتصالات الرقمية في العالم.

وأعلن الفريق البحثي الدولي الذي يقود حسن، الجمعة الماضي، في دورية "لايت: ساينس آند أبليكيشنز"، إحدى دوريات مؤسسة "نيتشر"، عن توليد أسرع ومضات ضوئية كمية في التاريخ، تقاس بوحدة "الأتوثانية"، أي جزء من مليار من مليار من الثانية، مما يفتح الباب أمام تشفير اتصالات لا يمكن اختراقها حتى بأقوى الحواسيب الفائقة، واضعا العالم على أعتاب عصر جديد من الاتصالات الكمية التي تجمع بين السرعة الهائلة والأمان المطلق.

مصدر الصورة

مبدأ عدم اليقين

ولفهم الأمر، نعود إلى مبدأ عدم اليقين الذي صاغه الفيزيائي الألماني فيرنر هايزنبيرغ عام 1927، والذي يقوم عليه أساس ميكانيكا الكم.

ينص هذا المبدأ على أنه من المستحيل معرفة بعض خصائص الجسيمات الدقيقة بدقة تامة في اللحظة نفسها، فكلما زادت دقة قياسك لخاصية معينة، قلت دقتك في خاصية أخرى مرتبطة بها.

فإذا تخيلت أنك تحاول تصوير كرة صغيرة سريعة جدا في الظلام باستخدام فلاش الكاميرا، فإن الضوء الذي تستخدمه لرؤيتها بوضوح يدفعها قليلا، فيغير سرعتها، أما إذا استخدمت ضوءا أضعف حتى لا تؤثر عليها، فلن تراها بوضوح، أي أنك تعرف سرعتها، لكن لا تعرف موقعها بدقة، وهكذا، فإن الفعل نفسه الذي نستخدمه للقياس يؤثر على الشيء الذي نحاول قياسه.

ويقول حسن للجزيرة نت: "ما فعلناه هو أول تجربة تتحكم في هذا الغموض نفسه في الزمن الحقيقي بدلا من الاكتفاء بقياسه، فقد تمكنا من إدارة "عدم اليقين" كما لو كان مقبضا يمكن ضبطه، وهو إنجاز لم يكن ممكنا منذ وضع هايزنبيرغ قانونه قبل قرن تقريبا".

مصدر الصورة

السر في الضوء المضغوط

ويكمن سر هذا الإنجاز في نوع خاص من الضوء يُعرف باسم "الضوء المضغوط".

ففي الضوء العادي، يتوزع الغموض بالتساوي بين شدته (عدد الفوتونات) وتوقيته (زمن وصول الموجة)، مثل بالون مملوء بالهواء لا يمكن ضغطه من جهة دون أن ينتفخ من جهة أخرى.

أما الضوء المضغوط، فهو أشبه ببالون استطاع العلماء ضغطه في اتجاه معين لتقليل الغموض في خاصية محددة، كالشدة مثلا، حتى لو زاد الغموض في خاصية أخرى كالزمن.

وباستخدام جهاز بالغ التعقيد يُعرف باسم "مولد الضوء الكمي المضغوط"، استطاع فريق حسن توليد نبضات ضوئية فائقة السرعة تدوم 5.3 فيمتو ثانية فقط (أي مليون من مليار من الثانية)، وتمكنوا لأول مرة من رصد تطور حالة عدم اليقين في الضوء بزمن الأتوثانية، بل وتبديل الغموض الكمي بين الشدة والزمن لحظة بلحظة.

ويقول حسن: "يشبه الأمر كما لو أننا تمكنا من الإمساك بالغموض بأيدينا والتحكم فيه أثناء حدوثه، وهو أمر كان يُعتبر مستحيلا منذ وضع مبدأ هايزنبيرغ لأول مرة عام 1927".

ولتقريب الصورة، تخيل مصباحا يضيء وينطفئ بسرعة هائلة، ففي العادة، لا يمكنك التحكم في شدة هذا الضوء بدقة لأنه يتذبذب عشوائيا، أما الآن، فبفضل هذه التقنية، أصبح من الممكن التحكم في تذبذبه وضبطه في الزمن الحقيقي، وكأنك تمسك بمقبض يتحكم في استقرار الضوء نفسه.

قفزة في الاتصالات الكمية

بينما تعتمد أنظمة الاتصالات الضوئية الحالية على مصادر ليزر مستمرة وبطيئة نسبيا تعمل في نطاق الميغاهيرتز أو الغيغاهيرتز، جاء النظام الجديد ليُحدث قفزة تكنولوجية باستخدام نبضات ضوئية فائقة القصر بترددات تصل إلى البيتاهيرتز، أي أسرع بملايين المرات من التقنيات التقليدية.

ولأن هذه النبضات تصدر في زمن لا يتعدى الأتوثانية، فإنها تتيح نقل المعلومات بسرعات هائلة مع تحكم فائق في الخصائص الكمية للضوء.

وفي حين تعتمد الأنظمة الحالية على خوارزميات رقمية يمكن نظريا اختراقها، يقوم النظام الجديد على قوانين فيزياء الكم ذاتها، إذ إن أي محاولة لاعتراض الإشارة تغير حالتها فورا، مما يجعل التجسس عليها مستحيلا دون أن يكتشف.

ويقول حسن: "بهذه التقنية، لم يعد الضوء مجرد وسيط لنقل البيانات، بل أصبح أداة نشطة في التشفير والتحكم الكمي، فاتحا الباب أمام عصر جديد من الاتصالات فائق السرعة وغير القابل للاختراق".

دقة في التجارب البيولوجية

ولا تقتصر التطبيقات المحتملة لهذا الاكتشاف على الاتصالات فحسب، فقد أشار حسن إلى أن هذا الجسر الجديد بين ميكانيكا الكم والاتصالات فائقة السرعة قد يفتح آفاقا واسعة في التجارب البيولوجية الدقيقة.

ففي العادة، يؤدي استخدام ضوء قوي في دراسة الخلايا أو البروتينات إلى إتلاف العينة، لكن باستخدام الضوء المضغوط يمكن الحصول على إشارة أوضح حتى من ضوء ضعيف، لأن الضوضاء الكمية تقل، مما يسمح برؤية تفاصيل دقيقة دون إيذاء النسيج أو البروتينات.

كما يمكن لهذا النوع من الضوء أن يرصد التغيرات الطفيفة جدا داخل الخلايا، مثل انتقال إلكترون في جزيء واحد، وهي إشارات خافتة تضيع عادة في الضوضاء عند استخدام الضوء التقليدي.

ويختتم حسن قائلا: "هذا الاختراق ليس مجرد إنجاز تقني، بل قفزة فلسفية في فهمنا للعالم الكمي، فنحن لم نعد مجرد مراقبين للغموض، بل أصبحنا مهندسين له".