Tunable spectral correlations of highly multimode visible light via broadband quantum frequency conversion

إن الضوء أكثر من مجرد شعاع ينير غرفة؛ فهو حامل معقد للمعلومات، قادر على الاحتفاظ بالبيانات بطرق عديدة ومختلفة في آن واحد. لطالما سعى العلماء الذين يعملون في مجال الفيزياء الكمومية إلى تسخير هذه الطبقات الخفية لبناء حواسيب يمكنها حل مشكلات مستعصية على آلات اليوم، أو مستشعرات يمكنها اكتشاف أخف همسات الكون. وللقيام بذلك، غالبًا ما يستخدمون نوعًا خاصًا من الضوء يسمى "الضوء المعتصر" (squeezed light). تخيل بالونًا تم عصرُه بحيث أصبح رفيعًا جدًا في اتجاه واحد وطويلًا جدًا في اتجاه آخر؛ في العالم الكمومي، يقلل هذا الاعتصار من عدم اليقين لخاصية معينة من خصائص الضوء، مما يجعله أداة قوية للدقة. لسنوات طويلة، تمكن الباحثون من إنشاء هذا الضوء المعتصر باستخدام الأطوال الموجية تحت الحمراء، وهي غير مرئية للعين البشرية وتنتقل بشكل جيد عبر الألياف الزجاجية المستخدمة في الاتصالات السلكية واللاسلكية. ومع ذلك، كان هناك عقبة رئيسية: فأفضل الكاميرات لعدّ الجسيمات الفردية من الضوء، أو الفوتونات، تعمل بشكل أفضل مع الضوء المرئي، وهو النوع الذي نراه بأعيننا. فالضوء تحت الأحمر يصعب اكتشافه باستخدام هذه الكاميرات الحساسة دون معدات باهظة الثمن ومبردة لدرجات حرارة فائقة.

لقد نجح فريق من الباحثين في جامعة كورنيل وشركة NTT Research الآن في جسر هذه الفجوة، حيث أظهروا طريقة لأخذ ضوء تحت أحمر شديد التعقيد وتحويله إلى ضوء مرئي دون فقدان خصائصه الكمومية الدقيقة. لقد حققوا ذلك باستخدام عملية تسمى "التحويل الترددي الأديباتي" (adiabatic frequency conversion). فكر في هذا الأمر كمترجم متطور يغير "لغة" الضوء من تحت الأحمر إلى المرئي، ولكنه يفعل ذلك بسلاسة وكفاءة عالية بحيث تظل الأنماط والارتباطات المعقدة داخل الضوء سليمة تمامًا. لقد أنتج الباحثون حالة من الضوء تحتوي على مئات القنوات الترددية المتميزة في وقت واحد، وهو إنجاز لم يتحقق بهذا النطاق من قبل. ومن خلال تحويل هذا الضوء إلى أطوال موجية مرئية، تمكنوا من قياسه باستخدام كاميرا قياسية تعمل في درجة حرارة الغرفة ومزودة بملايين المستشعرات الصغيرة، بدلاً من الاعتماد على حفنة من الكواشف المتخصصة والمبردة بالتبريد العميق. ويشير هذا الاختراق إلى مسار جديد لبناء أنظمة كمومية واسعة النطاق تكون أكثر عملية وسهولة في التوسع.

بدأت التجربة بإنشاء الضوء المعتصر نفسه. استخدم الفريق جهازًا يُعرف باسم "المضخم البارامتري البصري"، والذي يأخذ نبضة من ضوء الليزر ويقسمها إلى أزواج من الفوتونات. وبسبب الطريقة التي تعمل بها هذه العملية، فإن الضوء الناتج ليس مجرد شعاع بسيط، بل هو حالة عالية الهيكلية تحتوي على أكثر من 400 نمط ترددي مختلف. هذه الأنماط تشبه المسارات الفردية على الطريق السريع، حيث يحمل كل منها تدفقًا خاصًا به من المعلومات، وكلها تسير معًا. وقد أكد الباحثون أن هذا الضوء كان بالفعل في حالة معصرة، مما يعني أن الضجيج في النظام كان أقل مما هو ممكن مع الضوء العادي. وقاموا بقياس طيف الضوء ووجدوا أنه يمتد عبر نطاق هائل من الترددات، يغطي أكثر من 45 تيراترتز. وهذا عرض نطاق ترددي واسع للغاية لدرجة أنه يتجاوز كامل نطاق الترددات المستخدمة في جميع محطات الراديو والتلفزيون على وجه الأرض مجتمعة.

بمجرد إنشاء هذا الضوء المعقد تحت الأحمر، واجه الفريق تحدي تحويله إلى ضوء مرئي. غالبًا ما كانت المحاولات السابقة لتغيير لون الضوء الكمومي تؤدي إلى فقدان كبير في الإشارة أو تدهور في الخصائص الكمومية للضوء. وقد تغلب الباحثون على ذلك باستخدام التحويل الترددي الأديباتي، وهي تقنية تعتمد على تغيير تدريجي في ظروف الضوء أثناء مروره عبر بلورة خاصة. لقد قاموا بخلط الضوء تحت الأحمر مع نبضة ثانية أقوى من ضوء الليزر. ومن خلال تشكيل ملف تعريف هذه النبضة الثانية بعناً، قاموا بتوجيه الفوتونات تحت الحمراء لتتحول إلى فوتونات مرئية عند طول موجي قدره 620 نانومتر، والذي يظهر كلون أحمر ساطع. كانت العملية فعالة بشكل ملحوظ، حيث حولت جميع الضوء تقريبًا من النطاق تحت الأحمر إلى النطاق المرئي دون تشويه المعلومات الكمومية.

جاء الاختبار الحقيقي لنجاحهم عند قياس الضوء المحول. فقد وجهوا الشعاع المرئي نحو كاميرا من نوع "جهاز الشحن المزدوج متعدد الإلكترونات" (EMCCD)، وهو نوع من المستشعرات القادرة على اكتشاف الفوتونات الفردية بدقة عالية. ولأن الضوء أصبح الآن مرئيًا، استطاعت الكاميرا التقاط الطيف بأكره في وقت واحد، حيث عملت كمصفوفة من ملايين الكواشف التي تعمل بالتوازي. لاحظ الباحثون أن الضوء الذي ضرب الكاميرا كان يحتوي على متوسط ما يقرب من 700 فوتون لكل نبضة، موزعة عبر مئات الأنماط الترددية. والأهم من ذلك، أن الأنماط الإحصائية لهذه الفوتونات تطابقت مع تنبؤات الضوء المعتصر. وظلت الارتباطات بين الأنماط الترددية المختلفة قوية، مما أثبت أن عملية التحويل قد حافظت على الطبيعة الكمومية للضوء. كان هذا اكتشافًا حاسمًا، لأنه أظهر أن الحالة الكمومية الدقيقة يمكن أن تنجو في رحلتها من الأشعة تحت الحمراء إلى الطيف المرئي.

بعيدًا عن مجرد تحويل الضوء، أظهر الفريق قدرتهم على التحكم في العلاقات بين الأنماط الترددية المختلفة أثناء عملية التحويل. ومن خلال تغيير شكل نبضة الليزر المستخدمة في عملية التحويل، استطاعوا تغيير كيفية تفاعل الأجزاء المختلفة من الضوء مع بعضها البعض. يشبه هذا امتلاك مقسم شعاع قابل للبرمجة يمكنه خلط ومطابقة مئات القنوات من الضوء في الوقت الفعلي. إن القدرة على التحكم في هذه الارتباطات أمر ضروري لمهام الحوسبة الكمومية المتقدمة، حيث يحدد ترتيب الجسيمات المتشابكة نتيجة الحساب. وقد أظهر الباحثون أنهم يستطيعون إنشاء أنماط مختلفة من التشابك ببساطة عن طريق تعديل شكل النبضة، مما يعني برمجة الحالة الكمومية فعليًا أثناء تحويلها.

تمتد تداعيات هذا العمل إلى مستقبل التكنولوجيا الكمومية. فمن خلال إظهار إمكانية توليد، ومعالجة، وقياس ضوء معصر متعدد الأنماط بكفاءة عالية باستخدام كواشف الضوء المرئي، أزال الباحثون حاجزًا كبيرًا أمام توسيع الأنظمة الكمومية. إن استخدام تقنيات الكاميرا القياسية، التي تتميز بصغر حجمها وتكلفتها المنخفضة نسبيًا وعملها في درجة حرارة الغرفة، يوفر بديلًا عمليًا للإعدادات المعقدة التي تتطلب التبريد العميق المطلوبة حاليًا للكشف تحت الأحمر. ويقدر الفريق أن طريقتهم يمكن أن تدعم أنظمة تحتوي على آلاف الأنماط، وهو ما يتجاوز بكثير قدرات التجارب السابقة. وبينما يواجه الإعداد الحالي بعض القيود من حيث سرعة معالجة الضوء والدقة في التحكم في كل نمط بمفرده، إلا أن إثبات المفهوم صلب. لقد أثبت الباحثون أن النطاق الترددي يعد منصة قابلة للتطبيق وقوية للمعلومات الكمومية، مما يفتح الباب أمام تجارب جديدة في الاستشعار والحوسبة الكمومية كانت بعيدة المنال في السابق.

يمثل هذا الإنجاز خطوة مهمة للأمام في التطبيق العملي للبصريات الكمومية. فهو يقرب المجال من هدف بناء حواسيب ومستشعرات كمومية واسعة النطاق يمكنها العمل خارج البيئات المختبرية المتخصصة. إن القدرة على توليد وقياس مئات الأنماط من الضوء المعتصر في وقت واحد، والقيام بذلك بكفاءة عالية وقابلية للبرمجة، توفر أساسًا قويًا للتطورات المستقبلية. وبينما يستمر الباحثون في تحسين تقنياتهم، لا سيما في تحسين سرعة الكشف ودقة تشكيل النبضات، فإن إمكانات هذه الأنظمة لحل المشكلات المعقدة في العالم الحقيقي تزداد نموًا. ويقف هذا العمل كشهادة على قوة الجمع بين مجالات مختلفة من الفيزياء للتغلب على العقبات التقنية، وتحويل الاحتمال النظري إلى واقع ملموس.