Coherent control of photon pairs via quantum interference between second- and third-order quantum nonlinear processes
تُظهر هذه الورقة طريقة بصرية بالكامل للتحكم المتماسك في أزواج الفوتونات في منصة فوتونية متكاملة من خلال استغلال التداخل الكمي الحقيقي بين العمليات غير الخطية من الدرجة الثانية والثالثة لتعديل معدلات التوليد والهياكل الطيفية اعتماداً على الطور، مما يتيح تشكيل الدوال الموجية للفوتونات الثنائية وارتباطاتها 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
يتصرف الضوء بطريقتين متميزتين أثارتا حيرة الفيزيائيين لأكثر من قرن. فأحياناً يتصرف كموجة، حيث ينتشر ويتداخل مع نفسه ليخلق أنماطاً من الحزم المضيئة والمظلمة، تماماً مثل التموجات على سطح بركة ماء. وفي أحيان أخرى، يتصرف كتدفق من الجسيمات الصغيرة المنفصلة التي تسمى الفوتونات. في العالم الكمومي، حيث يتكون الضوء من هذه الجسيمات الفردية، تحدث ظاهرة غريبة: يمكن لفوتون واحد أن يسلك مسارين مختلفين في آن واحد، وتتحدد "احتمالية" المكان الذي ينتهي إليه عبر كيفية تداخل هذين المسارين. هذا التداخل، المعروف باسم التداخل (interference)، هو المحرك وراء العديد من التقنيات الحديثة، لكنه يعتمد عادةً على تداخل موجات من النوع نفسه مع بعضها البعض. ومع ذلك، يوجد شكل أكثر دقة وقوة من التداخل عندما تُجبر عمليتان كموميتان مختلفتان تماماً، تعمل كل منهما وفق قواعد مختلفة عادةً، على المساهمة في النتيجة النهائية ذاتها. إن فهم كيفية التحكم في هذا النوع المحدد من التداخل يفتح باباً لتشكيل طبيعة الضوء نفسها، مما يسمح للعلماء بابتكار جسيمات ضوئية مصممة خصيصاً بخصائص كان من المستحيل تحقيقها سابقاً.
في دراسة جديدة، أظهر باحثون طريقة لتسخير هذا الشكل النادر من التداخل الكمومي باستخدام شريحة متكاملة متناهية الصغر. ركز الفريق، بقيادة أليسيا ستيفانو وزملاؤها، على توليد أزواج من الفوتونات، والتي تُستخدم غالباً كبنات بناء للاتصالات والحوسبة الكمومية. عادةً، يبتكر العلماء هذه الأزواج باستخدام إحدى طريقتين: عملية تسمى "التحويل الهابط البارامتري التلقائي"، والتي تعتمد على نوع معين من استجابة المادة لتقسيم فوتون عالي الطاقة إلى اثنين من الفوتونات الأقل طاقة، أو "خلط الموجات الرباعي التلقائي"، الذي يستخدم استجابة مادية مختلفة لدمج وتقسيم الفوتونات في رقصة أكثر تعقيداً. هاتان الطريقتان مختلفتان جوهرياً؛ إذ تتضمن إحداهما تفاعلاً أبسط مع المادة، بينما تتضمن الأخرى تفاعلاً أكثر تعقيداً ومتعدد الخطوات. ولأنهما تعملان بمبادئ فيزيائية مختلفة، فقد كان يُعتقد أنهما مستقلتان عن بعضهما البعض. ومع ذلك، أظهر الباحثون أنه إذا تم ترتيب الضوء والمادة بدقة شديدة، يمكن لهاتين العمليتين المتميزتين أن تحدثا في الوقت نفسه وتسهما في إنشاء زوج الفوتونات ذاته.
أجريت التجربة داخل رنان حلقي مجهري، وهو عبارة عن حلقة صغيرة من مادة مصنوعة من نوع محدد من فوسفيد الإنديوم غاليوم، مغمورة في بيئة تشبه الزجاج. هذه الحلقة صغيرة جداً لدرجة أن الضوء يرتد داخلها آلاف المرات، مما يعزز التفاعلات. أرسل الباحثون نبضتين ليزر مختلفتين إلى هذه الحلقة في وقت واحد. صُممت إحدى النبضتين لتحفيز العملية الأبسط، بينما حفزت الأخرى العملية الأكثر تعقيداً. والأهم من ذلك، قاموا بضبط توقيت وطور (phase) هذه النبضات بحيث تكون أزواج الفوتونات الناتجة عن كلتا الطريقتين غير قابلة للتمييز عن بعضها البعض. وعندما حدث ذلك، لم تكتفِ العمليتان بجمع نتائجهما معاً، بل تداخلتا. لم يكن هذا التداخل مجرد تأثير موجي بسيط يحدث قبل تكميم الضوء إلى جسيمات، بل كان تداخلاً كمومياً حقيقياً بين سعات الاحتمالية لآليتين فيزيائيتين مختلفتين.
من خلال الضبط الدقيق للطور النسبي بين نبضتي الليزر، استطاع الفريق التحكم في النتيجة بدقة مذهلة. ففي بعض الإعدادات، كان التداخل هداماً، مما أدى فعلياً إلى إلغاء إنتاج أزواج الفوتونات وتثبيط الإشارة بشكل شبه كامل. وفي إعدادات أخرى، كان التداخل بناءً، مما عزز عدد الأزواج المتولدة. سمح هذا للباحثين بتعديل معدل إنشاء هذه الجسيمات الكمومية ببساطة عن طريق تغيير إعداد الطور، وهو إنجاز لا يمكن تحقيقه عبر التداخل الكلاسيكي وحده. علاوة على ذلك، ولأن العمليتين تنتجان أزواج فوتونات ذات أشكال طيفية مختلفة قليلاً، فقد سمح التداخل للفريق بنحت "الدالة الموجية" النهائية لزوج الفوتونات. استطاعوا خلق حالة يكون فيها طيف الضوء يحتوي على فجوة حادة وعميقة في منتصفه، مما يؤدي فعلياً إلى تقسيم الضوء إلى نطاقين لونيين متميزين يفصل بينهما فراغ. هذا المستوى من التحكم في البنية الطيفية والارتباط بين الفوتونات هو أمر سيكون من الصعب للغاية، إن لم يكن مستحيلاً، تحقيقه باستخدام عملية واحدة أو عبر مجرد تشكيل نبضات الليزر في إعداد قياسي.
تؤكد الدراسة أن هذا التداخل هو شكل متميز من التحكم الكمومي، منفصل عن التداخل الموجي الكلاسيكي المشاهد في التجارب السابقة. في تلك الإعدادات القديمة، كان يمكن تفسير التداخل من خلال كيفية دمج موجات الضوء قبل تكميمها. أما هنا، ولأن العمليتين تتضمنان أعداداً مختلفة من الفوتونات التي تتفاعل مع المادة، فإن مثل هذا التفسير الكلاسيكي يصبح مستحيلاً. ينشأ التداخل حصرياً من الطبيعة الكمومية للعمليات نفسها. وقد حسب الباحثون أنه في ظل ظروفهم المحددة، كانت رؤية (visibility) هذا التداخل شبه مثالية، حيث وصلت إلى قيمة 0.99997، مما يشير إلى أن المسارين كانا غير قابلين للتمييز تماماً تقريباً. وهذا القدر العالي من عدم التمييز هو ما يسمح بهذا التحكم الدقيق. ويشير العمل إلى إمكانية استخدام هذه الطريقة لتشكيل الكسب ديناميكياً في الأنظمة البصرية، مما قد يوفر وسيلة جديدة للتحكم في كيفية تشغيل وإطفاء الليزرات ومصادر الضوء الأخرى، أو هندسة خصائص التشابك للفوتونات للشبكات الكمومية المتقدمة. ومن خلال إثبات إمكانية دمج العمليات غير الخطية من درجات مختلفة بشكل متماسك، تفتح الدراسة مساراً جديداً للتلاعب بالضوء عند المستوى الكمومي، والانتقال من مجرد التلاعب بالموجات إلى الهندسة المباشرة للحالات الكمومية.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.