كيف يتفوق الراديو الكمي على أنواع الاتصالات الأخرى

الاتصال الكمي هو مجال فيزياء الكم التطبيقية المرتبطة ارتباطًا وثيقًا بمعالجة المعلومات الكمومية والانتقال الآني الكمي، إذ أن أكثر تطبيقاته إثارة للاهتمام هو حماية قنوات المعلومات من التنصت عن طريق التشفير الكمي.

آلية تفوق الراديو الكمي

الفكرة الأساسية التي يقوم عليها الراديو الكمي، هي أنه عندما يتفاعل نظام كمي مع جهاز قياس، فإن وظائف الموجة الخاصة بهما تصبح متشابكة بحيث يتوقف النظام الكمي الأصلي عن الوجود ككيان مستقل.

حين يؤخذ الاتصال السهل كأمر مسلم به في العالم المتصل عالميًا، حيث أن هناك الكثير من الأماكن حيث تعيق البيئة الاستخدام المباشر لإشارات الراديو تحت الماء، أو تحت الأرض، أو في مناطق عالية التداخل الكهرومغناطيسي، ويطرح هذا أيضًا تحديات لرسم خرائط المحيطات أو داخل المناجم حيث لا يمكن لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) اختراقها.

والمشكلة هي أنه كلما زاد تردد الراديو قلت جودة الإشارة في اختراق المادة، وهذا هو السبب وراء انقطاع الهاتف أثناء القيادة في الأنفاق، في حين أن استقبال راديو FM ذي التردد المنخفض يصبح غير مكتمل، لكن التردد المنخفض لراديو AM يظل مسموعًا بشكل معقول. 

تجعل الفيزياء الكمية كل شيء تقريبًا أفضل والاتصالات ليست استثناءً. يقوم الباحثون في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST – Gaithersburg، ميريلاند) بتجربة راديو مغناطيسي منخفض التردد باستخدام إشارات مغناطيسية معدلة رقميًا ذات تردد منخفض جدًا (VLF)، تكون إشاراته قادرة على الانتقال عبر مواد البناء، في الماء، وتحت الأرض أبعد من إشارات الاتصالات الكهرومغناطيسية التقليدية التي تعمل على ترددات أعلى.

استخدامات الراديو الكمي

• يمكن أن يوفر الراديو الكمومي اتصالات داخل البيئات سواء كانت تحت الماء أو تحت الأرض أو في الداخل والتي تعيق نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) وأشكال الاتصالات الأخرى.

• قد تكون هذه التقنية بديلاً مثيرًا للاهتمام، وربما أكثر أمانًا، للاستخدام العسكري، لأن إشارات GPS لا يمكن إرسالها بعمق شديد أو على الإطلاق في المياه، أو تحت الأرض، أو عبر جدران المباني.

ميزات الراديو الكمي

• يتم استخدامها للاتصالات البحرية، وهو أمر مثير للإعجاب ولكن لديها فقط سعة كافية لنقل البيانات للنصوص أحادية الاتجاه وليس الصوت أو الفيديو، ولاستخدام هذه التقنية تحتاج الغواصات إلى نقل كبلات الهوائي والإبطاء والارتفاع إلى عمق المنظار (18 مترًا تحت السطح) للتواصل.

• يؤكد (Howe) أنها توفر حساسية متزايدة، مما يؤدي من حيث المبدأ إلى نطاق اتصالات أطول، يوفر النهج الكمي أيضًا إمكانية الحصول على اتصالات ذات نطاق ترددي عالٍ مثل الهواتف المحمولة، حيث بكون هناك الحاجة إلى عرض النطاق الترددي للتواصل مع الصوت تحت الماء وداخل البيئات المحظورة الأخرى.

• بالإضافة إلى الحساسية، توفر هذه المقاييس المغناطيسية المزعومة بالضخ البصري مزايا مثل التشغيل في درجة حرارة الغرف والحجم الصغير والطاقة والتكلفة المنخفضة والتداخل المنخفض، وهذه الأنواع من المستشعرات أيضًا لن تنجرف أو تتطلب معايرة.

العقبات التي تواجه الاتصالات عبر الراديو الكمي

العقبات التي تواجه الاتصالات الكمومية بما في ذلك الراديو المغناطيسي هي ضعف حساسية المستقبِل والنطاق الترددي المحدود للغاية لأجهزة الإرسال والاستقبال الحالية، كما يتم الحصول على أفضل حساسية للمجال المغناطيسي باستخدام أجهزة الاستشعار الكمومية.

الاتصالات الكمومية عبر الراديو الكمي

أظهر (Howe) وزملاؤه في (NIST) مؤخرًا اكتشاف الإشارات المغناطيسية المعدلة رقميًا، أي الرسائل التي تتكون من بتات رقمية بواسطة مستشعر المجال المغناطيسي الذي يعتمد على الخصائص الكمومية لذرات الروبيديوم، حيث تعمل هذه التقنية على تغيير المجالات المغناطيسية وتحتاج إلى التعديل أو التحكم في التردد، وتحديداً المواضع الأفقية والرأسية لشكل موجة الإشارة، التي تنتجها الذرات.

تتضمن الاتصالات الكلاسيكية مفاضلة بين النطاق الترددي والحساسية، حيث يمكن الحصول على كليهما باستخدام أجهزة الاستشعار الكمومية، وتم استخدام هذه الأنواع من مقاييس المغناطيسية الذرية تقليديًا لقياس المجالات المغناطيسية التي تحدث بشكل طبيعي لكن باحثي المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) يستخدمونها لتلقي إشارات اتصالات مشفرة.

يقول العالم هاو إنهم يريدون أن يأخذوا خطوة إلى الأمام لتطوير أجهزة إرسال أفضل لأن طريقة الكم أكثر حساسية من تقنية المستشعرات المغناطيسية التقليدية ويمكن استخدامها للتواصل، كما طور الباحثون تقنية معالجة الإشارات لتقليل الضوضاء المغناطيسية البيئية، مثل الناتجة عن شبكات الطاقة الكهربائية التي تحد من نطاق الاتصالات، ويضيف هاو أن المستقبلات يمكنها الآن اكتشاف الإشارات الأضعف ويمكن زيادة نطاق الإشارة.

كيف تم تحقيق غاية الاتصالات الكمومية عبر الراديو الكمي

طور الباحثون مقياسًا مغناطيسيًا للتيار المباشر (DC) يستخدم الضوء المستقطب ككاشف لقياس دوران ذرات الروبيديوم التي تنتجها الحقول المغناطيسية، وتوضع الذرات في وعاء زجاجي صغير حيث تتوافق التغيرات في معدل دورانها مع تذبذب في المجالات المغناطيسية للتيار المستمر، مما ينتج عنه إشارات إلكترونية للتيار المتناوب (AC)، أو الفولتية في كاشف الضوء، والتي تكون أكثر فائدة للاتصالات.

أثناء الاختبار اكتشف المستشعر إشارات أضعف بكثير من ضوضاء المجال المغناطيسي المحيط النموذجي؛ حيث التقطت إشارات مجال مغناطيسي معدلة رقميًا بقوة 1 بيكوتيسلا (واحد على مليون من قوة المجال المغناطيسي للأرض)، وبترددات منخفضة جدًا أقل من 1 كيلوهرتز، وهذا أقل من ترددات راديو VLF، والتي تمتد من 3 إلى 30 كيلو هرتز، لكن تقنيات التعديل يمكن أن تكبح الضوضاء المحيطة وتوافقياتها، أو مضاعفاتها، مما يزيد بشكل فعال من سعة القناة.

لتقدير حدود الاتصال ونطاق الموقع، أجروا حسابات ووجدوا أن النطاق المكاني المقابل لنسبة إشارة إلى ضوضاء جيدة كانت عشرات الأمتار في بيئة الضوضاء الداخلية، ويقول العالم Howe إن هذا أفضل مما هو ممكن الآن في الداخل ويمكن أن يمتد إلى مئات الأمتار إذا تم تقليل الضوضاء إلى مستويات حساسية المستشعر.

كان تحديد الموقع أكثر صعوبة؛ حيث كان عدم اليقين في قدرة الموقع 16 مترًا، وهو أعلى بكثير من الهدف البالغ 3 أمتار، ولكن يمكن تحسينه من خلال تقنيات قمع الضوضاء المستقبلية، وزيادة عرض النطاق الترددي للمستشعر، وتحسين الخوارزميات الرقمية التي يمكنها استخراج قياسات المسافة بدقة، ويقوم باحثو المعهد القومي للمعايير والتكنولوجيا (NIST) الآن ببناء مقياس مغناطيسي كمي مخصص، الأمر الذي يتطلب اختراع مجال جديد تمامًا يجمع بين فيزياء الكم والراديو منخفض التردد، كما يقول هاو.

قال جيلي العالم باستخدام الراديو الكمي الخاص؛ سوف يقوم بالاستماع إلى الاهتزازات الكمومية للأجسام الثقيلة والتحكم فيها واستكشاف ما يحدث تجريبيًا عند مزج ميكانيكا الكم والجاذبية، فمثل هذه التجارب تكون صعبة، لكن إذا نجحت فسيكون هناك قدرة على اختبار ما إذا كان بإمكان العلماء عمل تراكب كمي للزمكان نفسه، وهو مفهوم جديد من شأنه أن يختبر مفهوم كل من ميكانيكا الكم والنسبية العامة.