Ultrafast Processing of Hyper-Entangled Bell States at the Optical Bandwidth Limit

غالباً ما تبدو العلوم الكمية وكأنها عالم من الاتصالات المستحيلة، حيث تبدو الجسيمات المتباعدة بمسافات شاسعة وكأنها تتشارك وجوداً واحداً لحظياً. وفي قلب هذه الظاهرة يكمن نوع محدد من الروابط يسمى "التشابك"، حيث يصبح جسيمان متشابكين بعمق لدرجة أن قياس أحدهما يكشف فوراً عن حالة الآخر. ومن بين أكثر الأشكال جوهرية لهذا الاتصال هي "حالات بيل" (Bell states)، التي تصف أزواجاً من الجسيمات المرتبطة في رقصة متناغمة ومثالية من الخصائص مثل الاستقطاب، أو الاتجاه الذي تهتز فيه. وتعد هذه الحالات هي اللبنات الأساسية لتقنيات المستقبل، حيث تعد بإحداث ثورة في كيفية تواصلنا واستشعارنا للعالم. ومع ذلك، ظل هناك عائق كبير يقف في طريق استخدامها في التطبيقات العملية عالية السرعة؛ فبينما أصبح العلماء بارعين للغاية في إنشاء أعداد هائلة من هذه الأزواج المتشابكة، ظل قياسها بطيئاً بشكل مستعصٍ. تعتمد الكواشف التقليدية على إشارات إلكترونية لا يمكنها ببساطة مواكبة سرعة الضوء الهائلة، مما يخلق عنق زجاجة حيث تصل البيانات بسرعة أكبر مما يمكن للآلة قراءتها.

وقد أظهر فريق من الباحثين في جامعة بار-إيلان في إسرائيل الآن طريقة لكسر حد السرعة هذا، ومعالجة الضوء المتشابك بمعدلات كانت تُعتبر في السابق مستحيلة للقياس. وفي عملهم، نجحوا في توليد ومعالجة ورصد تدفق هائل من أزواج الفوتونات المتشابكة، تتحرك بوتيرة أسرع بنحو 100,000 مرة من الطرق القياسية. وكان مفتاح نجاحهم هو استبدال الكواشف الإلكترونية البطيئة بحيلة بصرية ذكية تقوم بالقياس مباشرة باستخدام الضوء نفسه، متجاوزين بذلك عنق الزجاجة الإلكتروني تماماً. ومن خلال استخدام إعداد متخصص يتضمن بلورات غير خطية ونوعاً فريداً من التداخل، تمكنوا من رصد الحالة الكمية لمليارات الفوتونات في الثانية، والتي لا يحدها سوى سرعة مصدر الضوء نفسه بدلاً من سرعة الإلكترونيات.

بدأت التجربة بخلق هذه الأزواج المتشابكة. استخدم الباحثون حزمة من ضوء الليزر، تم ضبطها بعناية لاستقطاب محدد، ووجهوها إلى زوج من البلورات الخاصة المرتبة بزوايا قائمة مع بعضها البعض. وبينما كان ضوء الليزر يمر عبر هذه البلورات، انقسم تلقائياً إلى أزواج من الفوتونات الجديدة. وبسبب الطريقة التي وُجهت بها البلورات وكيفية إعداد الليزر، ظهرت هذه الأزواج الجديدة في حالة تكون فيها استقطاباتها مرتبطة تماماً، مكونةً "حالات بيل" التي احتاج إليها الفريق. وقد صُمم الإعداد لإنتاج عدد هائل من هذه الأزواج، ليصل التدفق إلى حوالي 500 مليار فوتون في الثانية. وهذا معدل مذهل، يتجاوز بكثير ما يمكن للتجارب السابقة التعامل معه في دورة قياس واحدة.

وبمجرد إنشاء هذه الأزواج، احتاج الفريق إلى إثبات قدرتهم ليس فقط على توليد هذه الحالات، بل وأيضاً على معالجتها وقراءتها بهذه السرعة الهائلة. فقد أدخلوا "لوحة نصف موجية" (half-wave plate)، وهي أداة بصرية بسيطة تقوم بتدوير استقطاب الضوء، لتحويل حالة الفوتونات. سمح لهم ذلك بالتبديل بين أنواع مختلفة من الأنماط المتشابكة، مما يغير "الرسالة" التي يحملها الضوء فعلياً. ومع ذلك، كان التحدي الحقيقي يكمكم في الكشف. فبدلاً من محاولة الإمساك بكل فوتون على حدة باستخدام مستشعر إلكتروني بطيء، أرسل الباحثون الضوء مرة أخرى عبر زوج ثانٍ مطابِق من البلورات. عملت هذه المرحلة الثانية كمرآة للأولى، ولكن مع لمسة مختلفة: فاعتماداً على التوقيت الدقيق وطور الضوء، ستعمل البلورات الثانية إما على تضخيم الإشارة أو إلغائها.

هذه العملية، المعروفة باسم تداخل SU(1,1)، تعمل ككاشف تطابق فيزيائي. فإذا كان الضوء الوارد يطابق النمط المحدد الذي تبحث عنه البلورات، يتم تضخيم الضوء؛ وإذا لم يتطابق، يتم إخماد الضوء. يحدث هذا فوراً، بسرعة الضوء، دون انتظار أي معالجة إلكترونية. ثم استخدم الباحثون كاميرا لالتقاط أنماط الضوء الناتجة. ومن خلال تحليل أهداب التداخل — وهي النطاقات المضيئة والمظلمة المتبادلة التي تظهر عندما تتداخل موجات الضوء — تمكنوا من تحديد نوع الحالة المتشابكة التي دخلت النظام بدقة. وكانت النتائج واضحة ومتميزة: فعندما تطابقت الحالة المدخلة مع إعداد الكاشف، ظهرت أنماط قوية وعالية التباين، وعندما كانت الحالات غير متطابقة، اختفت الأنماط أو ظهرت بتباين منخفض جداً.

اختبر الفريق جميع التباينات الرئيسية لهذه الحالات المتشابكة، بما في ذلك الحالات التي تتشارك فيها الفوتونات نفس الاستقطاب وتلك التي لها استقطابات متعاكسة. وفي كل حالة، حدد الكاشف الضوئي الحالة بشكل صحيح، مما أكد أن دورة التوليد والمعالجة والقياس بأكملها يمكن إتمامها بالسرعة الفائقة لمصدر الضوء. وأظهرت التجربة أن النظام يمكنه التعامل مع تدفق يبلغ حوالي 5 × 10^11 فوتون في الثانية، وهو معدل أعلى بخمس مراتب عشرية مما يمكن للمكشافات الإلكترونية القياسية التعامل معه. وأشار الباحثون إلى أن الشيء الوحيد الذي حدد هذه السرعة هو عرض نطاق مصدر الضوء نفسه، وليس جهاز القياس.

يشير هذا الإنجاز إلى مسار جديد نحو التكنولوجيا الكمية. فمن خلال إزالة حد السرعة الإلكتروني، يصبح من الممكن معالجة المعلومات الكمية بمعدلات كانت بعيدة المنال سابقاً. ويشير الباحثون إلى أن هذه الطريقة يمكن توسيعها بشكل أكبر، لتصل محتملاً إلى نطاق الغيغاهرتز أو حتى التريليوهرتز باستخدام كاميرات أسرع وتوزيع الضوء على المزيد من قنوات الكشف. وبينما ركزت التجربة الحالية على أزواج منفردة من الفوتونات، فإن الفيزياء الكامنة تشير إلى أن هذا النهج يمكن تطبيقه أيضاً على مهام الاستشعار الكمي الأكثر تعقيداً، مثل قياس التغيرات الضئيلة في المواد بدقة فائقة. إن هذا العمل يثبت أنه من خلال جعل الضوء يقيس الضوء، يمكننا أخيراً مواكبة السرعة المذهلة للعالم الكمي.