نوع جديد من الاتصالات غير المرئية
حقق الباحثون ما يبدو وكأنه من أفلام الخيال العلمي: إرسال رسائل سرية مخفية داخل الإشعاع الحراري الذي تصدره بشكل طبيعي كل جسم دافئ. من خلال الاستفادة من ظاهرة كمومية تعرف باسم الضوء السلبي، أثبت الفريق أن البيانات يمكن ترميزها في توقيعات حرارية بسلاسة بحيث تصبح الإرسالية غير قابلة للتمييز عن ضوضاء الخلفية الحرارية للبيئة.
يعتمد هذا الاختراق على خاصية معاكسة للحدس حول الضوء تم تنظيرها لعقود لكن تم الاستفادة منها عملياً فقط مؤخراً. يحدث الضوء السلبي عندما تصدر مصادر مصممة خصيصاً فوتونات ترتبط بشكل معاكس مع المجال الحراري المحيط، مما ينشئ بشكل فعال ظلاً في الطيف الكهرومغناطيسي يمكنه حمل معلومات دون إنتاج أي إشارة قابلة للكشف فوق مستوى الضوضاء.
كيف يعمل الضوء السلبي
في الاتصالات البصرية التقليدية، ينتج الليزر أو مصباح LED فوتونات تبرز بوضوح عن الخلفية. الكشف مباشر لأن الإشارة أكثر إشراقاً من البيئة المحيطة. الضوء السلبي يقلب هذا النموذج تماماً.
أنشأ الباحثون مصدراً ينتج حالات فوتون والتي، عند دمجها مع الإشعاع الحراري المحيط، تلغي أنماطاً محددة في الضوضاء الخلفية. بالنسبة لمراقب خارجي يقيس المجال الكهرومغناطيسي الكلي، لا يبدو شيء غير عادي. تبدو القراءات تماماً مثل تقلبات حرارية عادية من جسم دافئ. فقط المستقبل المجهز بمفتاح فك التشفير الصحيح يمكنه استخراج تدفق البيانات المخفي من ما يبدو وكأنه حرارة عشوائية.
فكر فيها كما لو كنت تكتب رسالة في المسافات بين الكلمات بدلاً من الكلمات نفسها. غياب الضوضاء المتوقعة يصبح الإشارة، لكن فقط إذا كنت تعرف بالضبط أي نمط من الغياب تبحث عنه.
الآثار المترتبة على الاتصالات الآمنة
تمتد التطبيقات المحتملة بعيداً عن الفضول الأكاديمي. الاتصالات المشفرة التقليدية، على الرغم من أمانها الرياضي، لا تزال قابلة للكشف. قد لا يتمكن الخصم من قراءة رسالة مشفرة، لكن يمكنه ملاحظة أن الرسالة قد تم إرسالها. اتصالات الضوء السلبي تلغي حتى هذا التسرب البيانات.
التطبيقات العسكرية والاستخبارية هي المرشحون الواضحون. يمكن لمرسل ضوء سلبي أن يرسل بيانات من جهاز المراقبة دون إنتاج أي توقيع كهرومغناطيسي من شأنه أن ينبه معدات الكشف القريبة. ستكون الإرسالية غير قابلة للتمييز ديناميكياً حرارياً من انبعاثات الحرارة الطبيعية للجهاز نفسه.
يمكن أيضاً أن تجد التكنولوجيا تطبيقات في السيناريوهات حيث الصمت الراديوي حرج. تتطلب الغواصات والطائرات الخفية والعمليات الأرضية السرية جميعاً طرق اتصالات لا تترك أي أثر قابل للكشف. الحلول الحالية تتضمن جداول مرتبة مسبقاً والإرسالات المتفجرة والقفز التكراري، كل ذلك ينتج عنه إشارات قصيرة لكن قابلة للقياس. اتصالات الضوء السلبي لن تنتج أي شيء.
التحديات التقنية لا تزال قائمة
على الرغم من العرض الواعد، تقف عقبات كبيرة بين الإثبات التجريبي في الحاوية والنشر العملي. معدلات نقل البيانات الحالية منخفضة جداً مقارنة بالاتصالات البصرية أو الراديوية التقليدية. حقق الفريق نقلاً موثوقاً على مسافات قصيرة في بيئة حرارية محكومة، لكن توسيع نطاق التكنولوجيا إلى نطاقات أطول يدخل تعقيدات.
تقلبات درجة الحرارة في العالم الحقيقي تخلق ضوضاء قد تفسد الأنماط المرتبطة بشكل معاكس الدقيقة. يجب أن يكون للمستقبل معرفة دقيقة بالبيئة الحرارية المحيطة للتمييز بين أنماط الضوء السلبي المقصود والتغييرات الطبيعية. يضيف هذا المتطلب للمعايرة البيئية تعقيداً وقد يقيد التكنولوجيا بالسيناريوهات حيث الخلفية الحرارية مستقرة نسبياً وقابلة للتنبؤ.
بالإضافة إلى ذلك، الحالات الكمومية المعنية هشة. يمكن أن يتم تعطيل عدم الارتباط بين الفوتونات الذي يجعل الضوء السلبي ممكناً بالتفاعلات مع المادة التدخلية. تقدم جزيئات الهواء وجزيئات الغبار والعناصر البصرية جميعاً عدم الترابط الذي يقلل الإشارة. يستكشف الباحثون تقنيات تصحيح الأخطاء المستعارة من الحوسبة الكمومية للتعامل مع هذا القيد.
ما وراء السرية: التطبيقات العلمية
يفتح البحث أيضاً آفاقاً جديدة في الفيزياء الأساسية. توفر القدرة على هندسة حالات الإشعاع الحراري بدقة أداة لدراسة الخصائص الكمومية لنقل الحرارة، وهو مجال يُعرف باسم الديناميكا الحرارية الكمومية الذي شهد نمواً سريعاً في السنوات الأخيرة.
الإشعاع الحراري هو أحد أقدم الموضوعات في الفيزياء. أطلقت دراسة Max Planck للإشعاع الأسود عام 1900 الثورة الكمومية. ومع ذلك بعد أكثر من قرن، لا يزال الباحثون يكتشفون أن الضوء الحراري يحتوي على خصائص كمومية دقيقة يمكن التلاعب بها والاستفادة منها. تظهر تجارب الضوء السلبي أن الحد بين الإشارة والضوضاء، بين المعلومات والحرارة، أكثر نفاذية مما كان يُفهم سابقاً.
نظرة على اتصالات المستقبل
بينما لا يزال النشر على النطاق الواسع قيد الانتظار لسنوات، يمثل الإثبات الناجح لنقل البيانات عبر الضوء السلبي اختراقاً مفاهيمياً في كيفية تفكيرنا حول الاتصالات. الفكرة بأن الرسالة يمكن أن تكون مخفية ليس في إشارة بل في الغياب المصمم بعناية عن الضوضاء، تطعن في الافتراضات الأساسية حول طبيعة الاتصالات نفسها. مع استمرار نضج التقنيات الكمومية، قد ينضم اتصال الضوء السلبي في نهاية المطاف إلى توزيع مفتاح كمومي والحوسبة الكمومية في مجموعة الأدوات المتنامية للتقنيات المحسّنة بالكم التي تعيد تشكيل المجالات من الأمن القومي إلى العلم الأساسي.
هذا المقال يستند إلى تقارير من Live Science. اقرأ المقالة الأصلية.
