Quantum-enhanced sensing in a driven-dissipative system via chiral waveguide

تخيل عالماً حيث تتعرض أدق الأجهزة التي يمكننا بناؤها للاهتزاز والتحطم باستمرار بفعل الهواء الذي تطفو فيه. هذا هو الواقع اليومي للمستشعرات الكمومية، وهي أجهزة تستخدم القواعد الغريبة للعالم المجهري لقياس أشياء مثل المجالات المغناطيسية أو الوقت بدقة لا يمكن للأدوات الكلاسيكية أن تطمح إليها أبداً. المشكلة تكمصة في أن هذه الأنظمة الكمومية هشة للغاية؛ ففي اللحظة التي تتفاعل فيها مع محيطها، تفقد خصائصها المميزة وتصبح مجرد مادة عادية مليئة بالضجيج. لسنوات طويلة، عامل العلماء هذا التفاعل مع البيئة، المعروف باسم التبديد (dissipation)، كعيب قاتل يجب تجنبه بأي ثمن. ولكن ماذا لو أمكن تحويل هذا الضجيج من عيب إلى ميزة؟ ماذا لو أمكن هندسة الشيء نفسه الذي عادة ما يكسر المستشعر الكمومي لجعله أقوى؟

لقد اتخذ فريق من الباحثين خطوة جريئة في هذا الاتجاه عبر تصميم نوع جديد من المستشعرات الكمومية التي تزدهر بوجود الضجيج. فبدلاً من محاربة البيئة، قاموا ببناء نظام يستخدم نوعاً معيناً من "الشوارع ذات الاتجاه الواحد" للضوء لتحويل التبديد إلى أداة قياس قوية. ويظهر عملهم، المنشور في دراسة حديثة، أنه من خلال ربط سلسلة من الذرات الصغيرة الباعثة للضوء بدليل موجي "كيرالي" (chiral) خاص، يمكنهم إنشاء حالة مستقرة حساسة للغاية للتغيرات الطفيفة في التردد. ومن المثير للاهتمام أن هذه الحساسية تنمو بسرعة أكبر بكثير من حجم النظام، بينما ينمو الوقت اللازم لإعداد المستشعر ببطء فقط. وهذا يشير إلى مسار عملي نحو بناء مستشعرات كمومية ليست دقيقة للغاية فحسب، بل أيضاً قوية بما يكفي للعمل في العالم الحقيقي الفوضوي والمزدحم بالضجيج.

ركز الباحثون على سلسلة من الأنظمة ثنائية المستوى، والتي يمكن التفكير فيها كمفاتيح صغيرة يمكن أن تكون إما في وضع التشغيل أو الإيقاف. يتم ترتيب هذه المفاتيح في خط ويتم دفعها باستمرار بواسطة شعاع ليزر. وعادةً، إذا حاولت قياس إزاحة طفيفة في تردد الليزر، فإن الضجيج الناتج عن البيئة سيطمس الإشارة. ومع ذلك، قام الفريق بربط هذه المفاتيح بدليل موجي، وهو قناة توجه الضوء، يتميز بخاصية فريدة تسمى "الكيرالية". في الدليل الموجي القياسي، ينتقل الضوء المنبعث من ذرة ما في كلا الاتجاهين، يميناً ويساراً. أما في هذا الدليل الموجي الكيرالي، فيُجبر الضوء على السفر في اتجاه واحد فقط، مثل الماء الذي يتدفق في أنبوب ذي اتجاه واحد. هذا التدفق أحادي الاتجاه يغير بشكل جذري كيفية تواصل الذرات مع بعضها البعض. فعندما تطلق ذرة ما فوتوناً، فإنه ينتقل عبر السلسة ويمكنه التأثير على الذرات الموجودة في الأسفل، لكنه لا يستطيع أبداً العودة إلى الوراء للتأثير على الذرات التي خلفه.

من خلال تسخير هذا التفاعل أحادي الاتجاه، وجد الباحثون أن سلسلة الذرات بأكملها تستقر في حالة خاصة ومستقرة تعمل كمسبار عالي الحساسية. فعند حدوث إزاحة طفيفة في التردد، لا يؤثر ذلك على ذرة واحدة فحسب، بل يمتد الأثر كالموجة عبر السلسة، ويتراكم أثناء مروره. وقد أظهر الفريق أنه بالنسبة لإزاحة منتظمة في التردد، تنمو حساسية هذا النظام مع مكعب عدد الذرات. وإذا كانت الإزاحة تتغير قليلاً من أحد طرفي السلسة إلى الطرف الآخر، فإن الحساسية تنمو بشكل أسرع، حيث تتناسب مع القوة الخامسة لعدد الذرات. ولتوضيح ذلك، إذا ضاعفت عدد الذرات في السلسة، فإن الدقة لا تتضاعف فحسب، بل تزدادة بمقدار ثمانية أضعاف أو حتى اثنين وثلاثين ضعفاً، اعتماداً على نوع الإزاحة. وهذه قفزة هائلة مقارنة بالمستشعرات الكلاسيكية، حيث يؤدي مضاعفة الحجم عادةً إلى مضاعفة الدقة فقط.

كان أحد العقبات الكبرى في الاستشعار الكمومي هو الوقت الذي يستغرقه إعداد هذه الحالات الحساسة. ففي العديد من الأنظمة الكمومية، يستغرق وضع الذرات في التكوين الصحيح وقتاً طويلاً لدرجة أن الميزة تضيع قبل أن يبدأ القياس نفسه. وقد حسب الباحثون أنه بالنسبة لنظامهم، ينمو الوقت المطلوب للوصول إلى هذه الحالة الحساسة بشكل خطي فقط مع عدد الذرات. وهذا يعني أنه حتى مع بناء مستشعرات أكبر وأكثر دقة، يظل وقت الإعداد قابلاً للإدارة. إن الجمع بين المكسب الهائل في الدقة والزيادة المتواضعة في وقت الإعداد يخلق ميزة واضحة، مما يثبت أن النظام يمكنه الحفاظ على حساسيته المعززة حتى عند أخذ تكلفة الوقت في الاعتبار.

كما استكشفت الدراسة كيف تؤثر "الكيرالية" في الدليل الموجي، أو مدى قوة إجبار الضوء على السير في اتجاه واحد، على أداء المستشعر. ووجدوا أنه بينما يعمل النظام بأفضل حالاته عندما يتدفق الضوء في اتجاه واحد صارم، فإنه يظل فعالاً حتى لو لم يكن هذا التدفق أحادي الاتجاه مثالياً. وفي الواقع، اكتشفوا وجود مقايضة: فمن خلال ضبط درجة الكيرالية، يمكن للعلماء ضبط المستشعر ليكون إما دقيقاً للغاية لنطاق ضيق من الإشارات أو أقل دقة قليلاً ولكنه قادر على اكتشاف نطاق أوسع من الترددات. توفر هذه المرونة قدرة قيمة للمهندسين المصممين للأجهزة في العالم الحقيقي، مما يسم يسمح لهم بتخصيص المستشعر لمهام محددة.

ولضمان ألا تكون هذه النتائج مجرد نظريات، اقترح الفريق طرق قياس محددة يمكن تنفيذها في المختبر. فقد أظهروا أنه من خلال مراقبة الضوء الخارج من الدليل الموجي أو عبر قياس حالة الذرات مباشرة، يمكن استخراج معلومات التردد بدقة عالية. وقد أكدت عمليات المحاكاة التي أجروها أنه حتى مع سلاسل صغيرة نسبياً من الذرات، يمكن للنظام تحقيق مستوى من الدقة ينافس الأنظمة الأكبر بكثير في الإعدادات الأخرى. يوفر هذا العمل مخططاً ملموساً لبناء مستشعرات كمومية ليست متفوقة نظرياً فحسب، بل هي أيضاً قابلة للتطبيق عملياً، محولةً الضجيج الحتمي للبيئة إلى مورد للاكتشاف.

يمثل هذا البحث تحولاً في كيفية رؤية العلماء للعلاقة بين الأنظمة الكمومية ومحيطها. فبدلاً من رؤية البيئة كعدو يجب إسكاته، تظهر الدراسة أنه يمكن أن تكون شريكاً إذا تم إجراء الاتصالات الصحيحة. ومن خلال استخدام دليل موجي كيرالي لتوجيه تدفق الطاقة والمعلومات، أنشأ الباحثون نظاماً تصبح فيه الحالة المستقرة نفسها أداة قوية للاستشعار. وبينما تنتقل التكنولوجيا الكمومية من المختبر إلى العالم الحقيقي، فإن القدرة على تسخير التبديد بدلاً من محاربته قد تكون هي المفتاح لفتح آفاق الجيل القادم من الأدوات فائقة الدقة.