Atomic-scale on-demand photon polarization manipulation with high-efficiency for integrated photonic chips
تقترح هذه الورقة مخططاً عالي الكفاءة وعلى المقياس الذري للرقائق الضوئية المتكاملة يتيح التحكم في استقطاب الفوتون الواحد بشكل تعسفي وعند الطلب عبر ربط باعث كمي ثلاثي المستويات بأنماط موجية متعامدة، مما يتغلب بذلك على عقبة رئيسية في الدوائر الضوئية الكمية.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تخيل إنترنت المستقبل، ولكن بدلاً من إرسال رسائل البريد الإلكتروني ومقاطع فيديو القطط، فإنه يرسل أسرار الكون. هذا هو عالم المعلومات الكمومية، حيث تعمل حزم صغيرة من الضوء تسمى الفوتونات كرسل. هذه الفوتونات تشبه سعاة البريد فائق السرعة فائق الاستقرار، والتي يمكنها حمل البيانات بطرق لا تستطيع حواسيبنا الحالية حتى الحلم بها. عادةً، لإرسال رسالة، نحتاج إلى تحديد كيفية تشفيرها. في المختبرات الضخمة والقديمة حيث أثبت العلماء لأول مرة نجاح الحواسيب الكمومية، غالباً ما يستخدمون اتجاه حركة الفوتون (مساره) لحمل الرسالة. لكن تخيل محاولة بناء حاسوب كمومي صغير ومحمول من تلك الإعدادات الليزرية العملاقة التي بحجم الطاولة. الأمر يشبه محاولة وضع أوركسترا كاملة داخل ساعة جيب.
لجعل الحواسيب الكمومية صغيرة بما يكفي لتناسب شريحة، يحاول العلماء تصغير كل شيء. المشكلة هي أنه عندما نصغر النظام، نفقد القدرة على تغيير "لون" الرسالة بسهولة. في العالم الكمومي، لا يتعلق "لون" الفوتون بمجرد الضوء الأحمر أو الأزرق؛ بل يتعلق باستقطابه، وهو يشبه اتجاه المجال الكهربائي للفوتون أثناء طيرانه. فكر في الاستقطاب مثل البلبل (الدوامة) الذي يدور: يمكنه الدوران لليسار، أو اليمين، أو الأعلى، أو الأسفل، أو أي زاوية بينهما. تغيير هذا الدوران أمر بالغ الأهمية لإرسال رسائل معقدة، لكن القيام بذلك على شريحة صغيرة كان كابوساً لأن الأدوات التي تُستخدم عادةً كبيرة جداً بحيث لا تتسع لها الشريحة. تدخل هذه الورقة البحثية إلى هذا العالم الصغير والمزدحم لترى ما إذا كان بإمكاننا بناء مفتاح يمكنه تدوير اتجاه الفوتون حسب الطلب، في مكانه تماماً.
يقترح الباحثون، لو ولياو ووانغ، خدعة ذكية لحل مشكلة "كبير جداً ليتسع" هذه. فبدلاً من استخدام مرايا عملاقة أو بلورات ثقيلة، يقترحون استخدام ذرة واحدة صغيرة (أو مُصدر كمومي مشابه) تجلس داخل نفق مجهري يسمى دليل الموجة (waveguide). تخيل دليل الموجة هذا كأنه ممر للضوء، ولكن هذا الممر له خاصية مميزة: يحتوي على مسارين متطابقين يعملان جنباً إلى جنب، أحدهما للضوء الذي يتذبذب أفقياً والآخر للضوء الذي يتذبذب رأسياً. تُسمى هذه "الأنماط المتدهورة" (degenerate modes)، وهي مجرد طريقة منمقة للقول إنها توائم لها نفس الطاقة ولكن باتجاهات مختلفة.
إليك الجزء السحري: الذرة في المنتصف هي نظام ثلاثي المستويات، مما يعني أن لها طابقاً أرضياً، وطابقاً أوسط، وطابقاً علوياً. صمم الباحثون الذرة بحيث يمكن لأحد "الدرجات" (الانتقال) أن تتواصل مع كل من مسارات الضوء الأفقية والرأسية في وقت واحد. لكن المفاجأة هي: يمكنهم التحكم في مدى تواصل الذرة مع كل مسار ببساطة عن طريق تدوير مقبض شعاع ليزر خارجي. يعمل هذا الشعاع الخارجي كجهاز تحكم عن بعد، حيث يضبط "مزاج" الذرة وكيفية تفاعلها مع الضوء.
عندما يدخل فوتون هذا الممر، فإنه يصطدم بالذرة. وبناءً على كيفية ضبط العلماء لذلك الليزر الخارجي، يمكن للذرة أن تمسك الفوتون وتعيد إرساله باتجاه دوران مختلف تماماً. إذا جاء الفوتون وهو يدور أفقياً، يمكن للذرة أن تحوله إلى دوران رأسي، أو دوران دائري، أو أي مزيج بينهما. الأمر يشبه حارس ملهى ليلي سحري يمكنه أخذ ضيف يرتدي قبعة حمراء واستبدالها فوراً بقبعة زرقاء، أو خضراء، أو قبعة تدور في دائرة، فقط عبر التلويح بعصا سحرية.
تظهر الورقة البحثية أن هذا الإعداد فعال للغاية. في عمليات المحاكاة التي أجروها، كان التحويل شبه مثالي، مما يعني عدم فقدان أو هدر الضوء تقريباً. والأفضل من ذلك، أن النظام "مضاد للتبدد" (anti-dissipation)، مما يعني أنه جيد جداً في تجاهل الضوضاء المعتادة وفقدان الطاقة الذي يعاني منه الأجهزة الكمومية الصغيرة. وهذا بفضل ظاهرة تسمى "الشفافية المستحثة كهرومغناطيسياً" (EIT)، والتي تبدو اسماً معقداً، لكنها تعمل كدرع يسمح للضوء بالمرور دون أن يعلق أو يُمتص.
تحقق الفريق أيضاً مما إذا كان هذا سيعمل في العالم الفوضوي، حيث لا تكون الأشياء متوازنة تماماً. لقد قاموا بمحاكاة ما يحدث إذا كانت الذرة بعيدة قليلاً عن المركز أو إذا لم يكن الممر مربعاً مثالياً. وحتى مع هذه العيوب، لا يزال النظام يعمل بكفاءة تتراوح بين 90% إلى 95%. هذا يشير إلى أننا لا نحتاج إلى مختبر مثالي لجعل هذا يعمل؛ فشريحة غير مثالية قليلة ستظل تقوم بالمهمة.
النتيجة الأكثر إثارة هي أن هذا الجهاز "على المقياس الذري". إنه صغير جداً لدرجة أنه يمكن وضعه على شريحة إلى جانب آلاف المكونات الأخرى، مما قد يصغر الحاسوب الكمومي بأكمله إلى حجم الرقاقة الإلكترونية. ومن خلال إثبات أنه يمكننا التحكم في استقطاب الفوتونات المنفردة باستخدام مثل هذا الجهاز الصغير والفعال والقابل للضبط، فقد فتح المؤلفون الباب لطريقة جديدة لبناء الدوائر الكمومية. بدلاً من الحاجة إلى مسار منفصل لكل قطعة من المعلومات، يمكننا الآن تشفير البيانات في دوران الضء نفسه، مباشرة على الشريحة. قد يكون هذا هو المفتاح لجعل التكنولوجيا الكمومية ليست مجرد تجربة مختبرية، بل أداة عملية للمستقبل.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.