Conditional Motional Squeezing of an Optomechanical Oscillator Approaching the Quantum Regime

في عالم الفيزياء، يوجد انقسام جوهري بين القواعد التي تحكم الأشياء الصغيرة جداً والقواعد التي تحكم العالم اليومي. فعلى مقياس الذرات والجسيمات دون الذرية، تتصرف الأجسام بطرق غريبة: يمكنها الوجود في حالات متعددة في آن واحد، وتكون خصائصها ضبابية، محددة بالاحتمالات بدلاً من القيم الثابتة. هذا هو مجال ميكانيكا الكم. وفي المقابل، تتبع الأجسام التي نراها ونلمسها — مثل الكراسي، والسيارات، والبشر — القوانين المتوقعة للفيزياء الكلاسيكية. ولأكثر من قرن، تساءل العلماء أين يُرسم الخط الفاصل بين هذين العالمين. لماذا لا تتصرف الأجسام الكبيرة مثل الجسيمات الكمومية؟ وللإجابة على ذلك، يحاول الباحثون دفع الأجسام الأكبر والأكبر نحو المجال الكمومي، لإجبارها على اتباع القواعد الغريبة لعالم الأشياء الصغيرة جداً. ويتضمن جزء رئيسي من هذا الجهد عملية "الاعتصار" (squeezing)، وهي تقنية تقلل من الضبابية الطبيعية لحركة الجسم في اتجاه واحد بينما تسمح لها بالزيادة في اتجاه آخر. وإذا تمكن العلماء من اعتصار حركة جسم كبير بما يكفي، فيمكنهم تهيئته في حالة كمومية خاصة، مما يوفر طريقة جديدة لاختبار كيفية تفاعل الجاذبية مع ميكانيكا الكم.

لقد حقق فريق من الباحثين الآن خطوة مهمة نحو هذا الهدف من خلال النجاح في اعتصار حركة جسم ميكانيكي صغير، ولكنه عياني (ماكروسكوبي). الجسم المعني هو "كابول" (cantilever)، وهو عبارة عن لوح مائل مجهري مصنوع من زرنيخيد الغاليوم، يزن 50 نانوغراماً فقط. وبينما تبدو هذه الكتلة خفيفة للغاية بالنسبة للحواس البشرية، إلا أنها ضخمة مقارنة بالذرات التي تُدرس عادة في التجارب الكمومية. تمكن الفريق من تهيئة هذا الكابول في حالة "معتصرة كلاسيكياً"، وهي حالة يتم فيها تقليل عدم اليقين في موقعه إلى مستوى يقل بالكاد عن الحد الأدنى المسموح به في الفيزياء الكمومية، والمعروف باسم "تقلب نقطة الصفر". وقد حققوا حداً أدنى لعدم اليقين يبلغ 1.07 مرة من هذا الحد الأساسي. وتعد هذه النتيجة أفضل بثلاث مراتب عشرية من المحاولات السابقة باستخدام طرق مماثلة، مما يمثل قفزة هائلة في الدقة.

اعتمدت التجربة على تفاعل ذكي بين الضوء والحركة. فقد وضع الباحثون الكابول الصغير داخل غرفة مفرغة من الهواء وسلطوا عليه شعاع ليزر. ومع ارتداد الضوء عن الكابول، كان يحمل معه معلومات عن موقع الجسم. ومن خلال قياس هذا الضوء بدقة شديدة، استطاع الفريق تتبع حركة الكابول في الوقت الفعلي. ومع ذلك، فإن مجرد مراقبة الجسم لا يكفي لاعتصاره؛ إذ إن عملية القياس تؤدي أيضاً إلى الدفع على الجسم، مما يضيف ضجيجاً يُعرف بـ "تأثير الفعل المرتد" (back-action). وللتغلب على ذلك، استخدم الباحثون تقنية تسمى "التهيئة الحالة الشرطية". فقد قاموا بتغذية بيانات القياس في مرشح حاسوبي يتنبأ بموقع الكابول بناءً على سلوكه السابق. ومن خلال استخدام هذا التنبؤ لفهم حالة الجسم بشكل أوضح مما يسمح به القياس الخام وحده، تمكنوا من "اعتصار" الضجيج فعلياً من جانب واحد من حركته.

وكان جزء حاسم من نجاحهم هو سرعة قياساتهم بالنسبة لسرعة اهتزاز الكابول. فمن أجل نجاح عملية الاعتصار، كان لزاماً أن تكون معدل جمع المعلومات سريعاً بما يكفي لمواكبة التذبذبات الطبيعية للجسم. في هذه التجربة، كان معدل القياس حوالي 54% من تردد الرنين الخاص بالكابول، وهو شرط سمح لهم بكسر التوازن المعتاد حيث يتم توزيع الطاقة بالتساوي بين الموقع والزخم. وبدلاً من ذلك، تمكنوا من تقليل عدم اليقين في قياس الموقع بشكل كبير، بينما زاد عدم اليقين في قياس الزخم، وهو مقايضة تعد سمة مميزة للحالات المعتصرة. وأظهرت النتيجة النهائية أن عدم اليقين في الموقع انخفض إلى 1.07 مرة فقط من مستوى نقطة الصفر، بينما ارتفع عدم اليقين في الزخم إلى ما يقرب من ثماني مرات، مما يوضح بوضوح أن الطاقة لم تعد موزعة بالتساوي.

وعلى الرغم من هذا الإنجاز المثير للإعجاب، إلا أن الباحثين يشيرون بحذر إلى أنهم لم يصلوا بعد تماماً إلى نظام "الاعتصار الكمومي". توصف حالتهم بأنها "معتصرة كلاسيكياً" لأنه، رغم انتهاكها للقاعدة الكلاسيكية المتمثلة في التوزيع المتساوي للطاقة، إلا أنها لم تنخفض بعد تحت حد الضجيج الكمومي الأساسي بطريقة تؤكد أنها حالة ميكانيكية كمومية كاملة. لقد كانت التجربة محدودة بمصادر مختلفة للضجيج، بما في ذلك التداخل الإلكتروني وصعوبة الحفاظ على استقرار الليزر بشكل مثالي. وحدد الفريق أن الضجيج غير المستقر، الذي يتغير بشكل غير متوقع بمرور الوقت، منعهم من ترشيح البيانات في الوقت الفعلي لإنشاء حالة كمومية حاسمة. ومع ذلك، فإن عملهم يثبت أن البروتوكول قابل للتطبيق. فمن خلال إظهار أن النهج القائم على القياس يمكنه اعتصار جسم عياني بهذه الفعالية، فقد مهدوا الطريق لتجارب مستقبلية. ومع إجراء المزيد من التحسينات لتقليل الضجيج وزيادة كفاءة القياس، يعتقد الفريق أنه سيكون من الممكن قريباً تهيئة أجسام أكبر، بما في ذلك المرايا الضخمة المستخدمة في كواشف موجات الجاذبية، في حالات معتصرة كمومية حقيقية. ويقرب هذا التقدم العلماء من فهم كيفية انتقال العالم الكمومي إلى العالم الكلاسيكي الذي نعيشه كل يوم.