Noise Mitigation in Single Microwave Photon Counting by Cascaded Quantum Measurements
تقدم هذه الورقة كاشفاً فوتونياً ميكروويفياً أحادياً فائق التوصيل جديداً يستخدم عمليات خلط رباعي الموجات المتتالية والترميز ثنائي الكيوبت لتخفيف الضوضاء، محققاً حساسية قدرة قياسية تبلغ عبر عرض نطاق ترددي قدره 230 كيلو هرتز.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلف ولم يصادق عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في عالم الفيزياء الكمومية غير المرئي، يحاول العلماء باستمرار الاستماع إلى أخفت همسات الطبيعة. لعقود من الزمن، كان اكتشاف الجسيمات الفردية من الضوء، المعروفة باسم الفوتونات، حجر الزاوية في العلوم البصرية، مما مكن تقنيات تتراوح من التصوير الطبي المتقدم إلى أكثر أشكال الحوسبة أماناً. ومع ذلك، يأتي الضوء في أشكال عديدة، والفوتونات المستخدمة في الحواسيب الكمومية الحديثة ليست هي الأشعة الساطعة والمرئية التي نراها بأعيننا؛ بل هي فوتونات ميكروويف، تحمل طاقة أقل بكثير من الضوء المرئي. ولأنها ضعيفة جداً، فإن اكتشاف فوتون واحد منها أمر صعب للغاية؛ ففي درجة حرارة الغرفة، تخلق حرارة البيئة ضجيجاً هائلاً يغرق الإشارة تماماً. وللسماع لهذه الهمسات الخافتة، يجب على الباحثين تبريد معداتهم إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، وهي أبرد من أعماق الفضاء الخارجي. وحتى مع ذلك، يظل التحدي قائماً: وهو التمييز بين فوتون ميكروويف واحد ثمين وبين الضجيج الحراري العشوائي الموجود طبيعياً في النظام.
لقد طور فريق من الباحثين الآن طريقة جديدة للاستماع إلى هذه الهمسات بوضوح غير مسبوق. فقد بنوا جهازاً يمكنه عدّ فوتونات الميكروويف الفردية بحساسية لم تتحقق من قبل. ويكمي سر نجاحهم في استراتيجية "التكرار" (Redundancy). فبدلاً من الاعتماد على مستشعر واحد لاتخاذ القرار، يستخدم جهازهم بتّين كموميين منفصلين، يعملان كأعلام صغيرة فائقة الحساسية. عندما يدخل فوتون إلى النظام، فإنه يطلق سلسلة من التفاعلات التي يجب أن تؤدي إلى قلب كلا العلمين لتأكيد عملية الكشف. وإذا انقلب علم واحد فقط، يفترض النظام أنه مجرد خلل عشوائي ويتجاهله. هذه الفكرة البسيطة ولكن القوية تسمح للجهاز بتصفية قدر هائل من الإنذارات الكاذبة الناتجة عن الأخطاء العشوائية، مما يترك إشارة واضحة للفوتون الفعلي.
أظهر الباحثون، الذين عملوا مع أجهزة مبردة إلى حوالي عشرة ميلي كلفن، أن هذه البنية الجديدة، التي يسمونها "كاشف فوتون الميكروويف المنفرد المتتالي"، يمكنها العمل بمستوى من الدقة يحطم الأرقام القياسية. وفي تجاربهم، قاسوا قدرة الجهاز على اكتشاف القدرة ووجدوا أنه يمكنه استشعار إشارات ضعيفة تصل إلى 2.4 مضروبة في 10 مرفوعة للقوة (23-) واط لكل جذر هرتز. ويمثل هذا الرقم أدنى حساسية للقدرة تم تسجيلها على الإطلاق لعد الفوتونات الميكروويف. ولوضع هذا في المنظور، فإن الجهاز حساس للغاية لدرجة أنه يمكنه اكتشاف وجود فوتون واحد حتى عندما يكون الضجيج الخلفي منخفضاً للغاية، وهو إنجاز كان مستحيلاً في السابق مع التصميمات ذات المستشعر الواحد.
تضمن الطريق إلى هذا الإنجاز التغلب على عقبات كبيرة تتعلق بالضجيج. ففي المحاولات السابقة، كانت الكواشف غالباً ما تُخدع بواسطة الفوتونات الحرارية - وهي حزم عشوائية من الطاقة ناتجة عن حرارة البيئة - أو بسبب ارتكاب المستشعرات نفسها للأخطاء. ويعالج التصميم الجديد هذه المشكلات بطريقتين متميزتين. أولاً، باستخدام مستشعرين يجب أن يتفقا، يقوم الجهاز فعلياً بإلغاء الأخطاء التي تحدث بشكل مستقل في كل مستشعر. ثانياً، قام الباحثون بضبط الجهاز ليعمل عند تردد أعلى، حوالي 11.7 جيجاهرتز. وبما أن فوتونات التردد الأعلى تحمل طاقة أكبر، فمن غير المرجح أن تحاكيها الضوضاء الحرارية العشوائية التي تعاني منها الترددات الأدنى. هذا الجمع بين التحقق المزدوج والتردد التشغيلي الأعلى سمح للفريق بقمع الضجيج الخلفي إلى مستويات حيث يمكن أخيراً سماع الإشارة الحقيقية.
اختبر الفريق جهازهم عن طريق إرسال تدفق من الفوتونات إلى الكاشف ومراقبة عدد المرات التي حدد فيها الفوتونات بشكل صحيح مقابل عدد المرات التي ادعى فيها زيفاً رؤية واحد. ووجدوا أنه بينما يحدد الجهاز الفوتونات بشكل صحيح حوالي نصف الوقت، فإنه يطلق إنذارات كاذبة حوالي خمس مرات في الثانية فقط. وهذا يمثل تحسناً كبيراً مقارنة بالتصاميم القديمة، التي كانت تطلق إنذارات كاذبة مئات المرات في الثانية. كما أظهر الباحثون أنه يمكنهم ضبط نطاق الترددات التي يستمع إليها الجهاز عن طريق تغيير قوة إشارات التحكم التي يطبقونها، مما يسمح لهم بضبط الكاشف لمهام مختلفة.
وبعيداً عن الإنجاز التقني، يفتح هذا العمل الباب أمام إمكانيات علمية جديدة. إن القدرة على قياس مثل هذه المستويات المنخفضة من طاقة الميكروويف تعني أن العلماء يمكنهم الآن استخدام هذه الكواشف كموازين حرارة أساسية، لقياس درجة حرارة بيئة الميكروويف نفسها بدقة متناهية. وهذا أمر بالغ الأهمية لفهم سلوك الحواسيب الكمومية، حيث يمكن حتى للكميات الضئيلة من الحرارة أن تعطل الحسابات الدقيقة التي يتم إجراؤها. كما أشار الباحثون إلى أن جهازهم قد يكون مفيداً في اكتشاف مرشحات المادة المظلمة أو في دراسة الخصائص المغناطيسية للذرات الفردية. ومن خلال إثبات قدرتهم على عد فوتونات الميكروويف الفردية بموثوقية مع ضجيج منخفض جداً، قدم الفريق أداة قوية لاستكشاف العالم الكمومي، محولين بيئة كانت صاخبة يوماً ما إلى مساحة هادئة حيث يمكن دراسة أضعف الإشارات بالتفصيل.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.