في إنجازٍ ضخم، نجح الفيزيائيون لأوّل مرّة في التحكّم ب ‘الضوء الكمومي’
للمرّة الأولى في التاريخ، تمكّن فريقٌ دوليٌّ من الفيزيائيين من التحكّم بأعدادٍ قليلةٍ من جزيئات الضوء -المعروفة باسم الفوتونات- التي تتمتّع بعلاقةٍ قويةٍ بين بعضها البعض.
قد يبدو هذا غامضًا قليلًا، ولكنه يشكّل انفتاحًا كبيرًا في مجال الكمّ الذي يمكن أن يؤدي إلى تكنولوجيا لا يمكننا حتّى أن نحلمَ بها حاليًا. تخيل الليزرات، ولكن مع حساسية الكم، للتّصوير الطبي.
“هذا يفتح الباب أمام التحكّم في ما يمكننا أن نسمّيه ‘الضوء الكمّي’ كما يقول الفيزيائي” ساهاند محموديان “من جامعة سيدني.
“يفتح هذا العلم الجوهري الطريق نحو التقدم في تقنيات القياس المحسّنة بالكم والحوسبة الكمومية الضوئية”.
في حين أن الفيزيائيين يصبحون جيدين جدًا في التحكم في ذرات الكم المتشابكة، إلا أنّ الأمر ثَبُتَ أنه أكثر تحدّيًا في تحقيق الشيء ذاته مع الضوء.
في هذه التجربة الجديدة، أطلق فريقٌ من جامعة سيدني وجامعة بازل في سويسرا، فوتون واحد وزوج من الفوتونات المرتبطة على “نقطة كمية” (ذرة اصطناعية) واستطاعوا قياس تأخير الوقت المباشر بين الفوتون المنفرد وتلك التي كانت مرتبطة.
“تسبب الجهاز الذي بنيناه في التفاعلات القوية بين الفوتونات، حتى أننا تمكنا من ملاحظة الفرق بين فوتون واحد يتفاعل معه مقارنةً باثنين”، تقول الفيزيائية ناتاشا توم، المؤلف الرئيسي المشارك من جامعة بازل.
“لقد لاحظنا أنّ فوتونًا واحدًا تأخر فترةً أطول مقارنةً بفوتونين. مع هذا التفاعل القوي بين الفوتونات، يصبح الفوتونان متشابكين بشكلٍ يسمّى (حالة الفوتون المرتبط باثنين)”.
أقاموا هذه الحالة المرتبطة باستخدام “الإصدار المحثوث”: (وهي ظاهرة وصفها ألبرت أينشتاين لأوّل مرّةٍ في عام 1916 والتي تشكّل أساس الليزرات الحديثة).
(معلومة ممتعة: كلمة LASER هي اختصارٌ ل “تضخيم الضوء بالانبعاث المحفّز للإشعاع” ).داخل الليزر، يتم استخدام التيار الكهربائي أو مصدرِ ضوء لتحفيز الإلكترونات داخل ذرّات المادة البصرية مثل الزجاج أو الكريستال.
ترفع هذه الإثارة الإلكترونات إلى مدارٍ أعلى في نواة ذرّتها. وعندما تعود إلى حالتها العادية، تنبعث الطاقة على شكل فوتونات. هذه هي “الإصدارات المحثوثة”، وتعني هذه العملية أن جميع الفوتونات الناتجة لها نفس الطول الموجي، على عكس الضوء الأبيض العادي الذي يتألّف من مزيجٍ من ترددات (ألوان) مختلفة.
و بعدها تُستَخدم المرآة لإرجاع الفوتونات القديمة والجديدة نحو الذرات، وبالتالي تحفيز المزيد من الفوتونات المتماثلة لتكون مولدة.
تتحرك هذه الفوتونات بتناغم، وتسافر بنفس السرعة والاتجاه، وتتراكم حتى تتغلب في النهاية على المرايا والوسط البصري وتُطلِقُ بشكلٍ متزامن تمامًا شعاعًا من الضوء يمكنه البقاء مركّزًا بدقة على مدى مسافات طويلة.
تحدث كل هذه العمليات خلال جزءٍ من الثانية عند الضغط على زر مؤشر الليزر الخاص بك (شكراً، آينشتاين).
تشكّل هذه العملية الرائعة بين الضوء والمادة أساسًا لجميع أنواع التكنولوجيا الرائعة، مثل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) والحواسيب والتصوير الطبي وشبكات الاتصالات العالمية. حتى جهاز الرصد لموجات الجاذبية بالتداخل الليزري (LIGO) -الذي اكتشف موجات الجاذبية لأول مرّة في عام 2015- يستند إلى الليزرات.
ولكن كل هذه التكنولوجيا لا تزال تتطلب الكثير من الفوتونات، مما يحدّ من حساسيتها.
لقد حقق الانفتاح الجديد
الآن الإصدار المحثوث والكشف عن الفوتونات الفردية، بالإضافة إلى مجموعاتٍ صغيرة من الفوتونات من ذرة واحدة، مما أدى إلى جعلها مترابطةً بشكلٍ قوي، وبعبارةٍ أخرى “الضوء الكمي”.
وهذا يمثّل خطوةً هائلة نحو الأمام.
يقول محوديان: “عندما نثبت قدرتنا في التعرّفِ على الحالات المترابطة للفوتونات والتحكم بها، فإننا نخطو خطوةً أولى حيويّة نحوَ استغلالِ الضّوء الكمومي للاستخدام العملي”.
يوضّح محموديان أنّ الخطوات التالية هي استخدام النهج لتوليد حالات الضوء التي يمكن أن تجعل الحواسيب الكمومية أفضل.
وتضيف ناتاشا توم: “هذه التجربة جميلة، ليس فقط لأنها تثبت وجود تأثيرٍ أساسيّ -الإصدار المحثوث- في حدوده النهائيّة، ولكنها تمثل أيضًا خطوةً تكنولوجيّةً هائلة نحو التطبيقات المتقدمة”.
“يمكننا تطبيق نفس المبادئ لتطوير أجهزةٍ أكثر كفاءةً تعطينا حالات الفوتونات المترابطة. هذا مشجّع للاستخدام في مجالاتٍ متنوعة: (من علم الأحياء إلى التصنيع المتقدم ومعالجة المعلومات الكمومية)”.
المصدر:مواقع ألكترونية