Sub-cycle metrology of bright quantum light

في عالم الضوء، غالبًا ما نفكر في الفوتونات كحزم طاقة صغيرة ومنفصلة، مثل حبات الرمل. وعندما تُحبس هذه الحبات داخل صندوق، كما هو الحال في تجويف الليزر، فإنها تتصرف بنمط منظم للغاية، مما يخلق إيقاعًا يمكن التنبؤ به يتكرر مرارًا وتكرارًا. لعقود من الزمن، درس العلماء هذا الضوء عن طريق قياس السلوك المتوسط لهذه الحبات عبر دورات عديدة لموجتها. هذا النهج يعمل بشكل جيد في كثير من الأمور، لكنه يخفي تفصيلًا حاسمًا: ما يحدث في الجزء من الثانية بين دورة وأخرى. ففي السرعات الهائلة حيث يتفاعل الضوء مع المادة، خاصة عندما يكون الضوء مكثفًا، تتغير القصة؛ إذ لا يكتفي المجال الكهربائي للضوء بالمتوسط فقط، بل يتذبذب بجنون وعشوائية ضمن دورة واحدة. إن فهم هذه اللحظات الخاطفة أمر ضروري لفتح آفاق كيفية تحكم الضوء في الإلكترونات في المواد أو توليد أشكال جديدة من الضوء، ولكن حتى الآن، كانت هذه الأحداث التي تقع في "دون الدورة" (sub-cycle) غير مرئية لأجهزتنا.

لقد تمكن فريق من الباحثين الآن من التقاط هذه اللحظات المخفية، كاشفين أن الضوء الكمي الساطع لا يتدفق مثل نهر سلس، بل ينفجر في سلسلة من الدفقات الفوضوية الموضعية زمنياً. وباستخدام تقنية مقتبسة من مجال علم "الأتوسيكوند" (attosecond science)، قاموا بقياس المجال الكهربائي لنوع خاص من الضوء يسمى "الفراغ المعتصر الساطع" (bright squeezed vacuum). يتم توليد هذا الضوء عن طريق تقسيم نبضة ليزر داخل بلورة، مما يخلق حالة يتذبذب فيها عدد الفوتونات بجنون. ووجد الباحثون أنه داخل كل نبضة من هذا الضوء، لا تصل الطاقة كفعل موجة واحدة مستمرة، بل تظهر كمجموعة من الدفقات المستقلة، التي تستمر كل منها لبضع "فيمتو ثانية" فقط. والفيمتو ثانية هي جزء من كوادريليون من الثانية، وهو مقياس زمني قصير جدًا لدرجة أن الضوء يقطع خلاله بضعة ميكرومترات فقط. هذه الدفقات عشوائية (stochastic)، مما يعني أنها تحدث في فترات زمنية غير منتظمة، كما أن أطوارها — أي توقيت قممها وقيعانها — تنقلب بشكل غير متوقع بين قيمتين.

ولرؤية ذلك، قام الفريق بدمج "الفراغ المعتصر الساطع" مع نبضة مرجعية متماسكة على مستشعر كاميرا سيليكون قياسي. ولأن السيليكون شفاف للون المحدد المستخدم، اعتمد الباحثون على تأثير غير خطي حيث يتفاعل الشعاعان لتوليد حاملات كهربائية لفترة وجيزة في المستشعر. حدث هذا التفاعل فقط ضمن نافذة زمنية ضيقة جدًا، مما عمل فعليًا كـ "غالق" (shutter) عالي السرعة جمد حركة موجة الضوء. ومن خلال إمالة الشعاعين قليلاً بحيث يتقاطعان عند زاوية صغيرة، قاموا برسم التطور الزمني للضوء على الأبعاد المكانية لمستشعر الكاميرا. كشفت كل لقطة منفردة التقطتها الكاميرا عن شكل مجال الضوء الكامل لتلك النبضة الليزرية المحددة. سمحت هذه الطريقة لهم بإعادة بناء شكل مجال الضوء بدقة "دون الدورة"، ورؤية الدفقات الفردية التي تشكل النبضة.

أظهر تحليل آلاف من هذه اللقطات أن الضوء يتكون من دفقات مستقلة عن بعضها البعض إلى حد كبير. ففي حوالي نصف لقطات الليزر، لاحظ الباحثون دفقًا مهيمنًا واحدًا. وفي النصف الآخر، رأوا دفقتين أو أكثر تحدثان في تتابع سريع. لم يكن توقيت هذه الدفقات ثابتًا؛ فقد ظهرت في فترات عشوائية ضمن غلاف النبضة. والأهم من ذلك، اكتشف الباحثون أن طور كل دفقة، الذي يحدد اتجاه مجالها الكهربائي، يتغير عشوائيًا بين حالتين يفصلهما زاوية محددة. هذا التوزيع ثنائي المنوال هو علامة مميزة للطبيعة الكمية للفراغ المعتصر. وهذا يعني أنه لأي دفقة معينة، يشير المجال الكهربائي إلى أحد اتجاهين متضادين، ويكون الاتجاه الذي يشير إليه عشوائيًا بشكل جوهري.

لهذا الاكتشاف آثار فورية على توليد العشوائية. نظرًا لأن طور كل دفقة هو حدث كمي حقيقي، فلا يمكن التنبؤ به بأي وسيلة كلاسيكية. استخدم الباحثون هذه الخاصية لإنشاء تيار من البتات العشوائية. ومن خلال تعيين قيمة ثنائية لطور كل دفقة، أنتجوا تسلسلاً من الأصفار والآحاد الذي اجتاز اختبارات إحصائية صارمة للعشوائية. وبينما كان إعدادهم الحالي ينتج بتات بمعدل محدود بتكرار الليزر، فإن هذه الطريقة تفتح الباب لتوليد أرقام عشوائية بترددات "البيتاهرتز" (petahertz). والبيتاهرتز هو كوادريليون دورة في الثانية، وهو سرعة تتجاوز بكثير ما يمكن لأجهزة الكمبيوتر الإلكترونية الحالية معالجته. وإذا أمكن توسيع نطاق هذه التكنولوجيا لحل المزيد من الدفقات داخل نبضة واحدة، فإن معدل توليد الأرقام العشوائية قد يصل إلى هذه السرعات غير المسبوقة، مما قد يحدث ثورة في الاتصالات الآمنة والحوسبة عالية السرعة.

بعيدًا عن العشوائية، سمحت القدرة على رؤية مجال الضوء بهذا التفصيل للعلماء بقياس مدى ارتباط الضوء بنفسه عبر الزمن. لقد قاموا بحساب كيف ترتبط شدة وطور الضوء في لحظة ما بالضوء في لحظة لاحقة قليلاً. ووجدوا أنه بالقرب من مركز النبضة، حيث يكون الضوء في أقوى حالاته، يشبه السلوك نمطًا واحدًا معزولًا من الضوء. ومع ذلك، عندما نظروا نحو أطراف النبضة، تغير السلوك؛ حيث انخفضت قيم الارتباط، مما يشير إلى أن دفقات متعددة ومستقلة تتداخل وتتداخل مع بعضها البعض. أكدت هذه الملاحظة أن الضوء ليس كيانًا واحدًا مستمرًا، بل هو مجموعة من الأنماط المتميزة والمحددة زمنيًا. وقد طابقت البيانات نموذجًا نظريًا يعتمد على الأنماط المحدودة زمنيًا، مما يشير إلى أن هذا الإطار هو الطريقة الصحيحة لوصف كيفية تصرف الضوء في هذه الأنظمة فائقة السرعة وعالية الكثافة.

يجمع هذا العمل بين مجالين كانا منفصلين سابقًا: علم "الأتوسيكوند" (attosecond metrology)، الذي يتعامل مع أسرع قياسات الضوء، والبصريات الكمية، التي تدرس الخصائص الإحصائية للفوتونات. ومن خلال إدخال البصريات الكمية في نطاق "دون الدورة" الزمني، أظهر الباحثون أن السلوك الكمي للضوء ليس مجرد متوسط إحصائي عبر الزمن، بل هو عملية ديناميكية تتطور في الوقت الفعلي. إن الطبيعة العشوائية لهذه الدفقات، بأطوارها العشوائية وتقلباتها المستقلة، توفر نافذة مباشرة على الفراغ الكمي. يثبت هذا البحث أنه باستخدام الأدوات المناسبة، يمكننا قياس الحالة الكمية للضوء أثناء تطورها، وتحويل العشوائية المتأصلة في العالم الكمي إلى مورد قابل للقياس وعالي النطاق الترددي. وتشير النتائج إلى أن مستقبل معالجة المعلومات الكمية قد يكمن في تسخير هذه التقلبات على مقياس "الفيمتو ثانية"، وتحويل الدفقات الفوضوية للضوء الكمي إلى محرك قوي للعشوائية المعتمدة والالكترونيات فائقة السرعة.