Enhancing the phase sensitivity of a Mach-Zehnder interferometer beyond the Heisenberg limit through dynamic squeezing

في عالم الفيزياء الكمية، سعى العلماء طويلاً لإيجاد وسيلة لقياس أدق التحولات في الكون بدقة مثالية. تخيل محاولة اكتشاف تغير في موضع مرآة ضئيل للغاية لدرجة أنه أصغر من عرض ذرة واحدة. وللقيام بذلك، غالباً ما يستخدم الباحثون جهازاً يسمى "المتداخل" (interferometer)، والذي يقوم بتقسيم شعاع من الضوء إلى مسارين، ويرسلهما في رحلة، ثم يعيد دمجهما. إذا كان أحد المسارين أطول قليلاً من الآخر، فإن موجات الضوء تتداخل مع بعضها البعض، مما يخلق نمطاً يكشف عن الفرق. ولعقود من الزمن، كان يُعتقد أن دقة هذه القياسات مقيدة بحاجز أساسي يُعرف باسم "الحد الكمي القياسي"، وهو جدار من عدم اليقين تفرضه الطبيعة العشوائية للضوء نفسه. وبينما اكتشف العلماء أن استخدام حالات ضوئية خاصة غير كلاسيكية يمكن أن يتجاوز هذا الجدار للوصوث إلى سقف أعلى يسمى "حد هايزنبرغ"، إلا أن اختراق ذلك الحاجز النهائي لتحقيق حساسية أكبر كان يُعتبر أمراً صعباً للغاية، وغالباً ما يتطلب تجهيزات معقدة وهشة يصعب بناؤها في العالم الحقيقي.

تقترح دراسة جديدة حلاً ذكياً يتجاوز هذه العقبات التقليدية عبر تغيير كيفية سلوك الضوء أثناء رحلته عبر الآلة، بدلاً من مجرد تغيير ما يدخل إليها. فقد طور الباحثون، بالتعاون مع فريق في جامعة ولاية أريزونا ومختبرات سانديا الوطنية، طريقة لزيادة حدة حساسية المتداخل القياسي بشكل كبير دون الحاجة إلى مواد أولية غريبة. وقد حققوا ذلك من خلال إدراج سلسلة من العمليات في أحد مسارات الضوء تعمل على "عصر" موجات الضوء ثم تمديدها مرة أخرى في إيقاع سريع ومتناوب. هذه العملية، التي يسمونها "التضخيم الهاميلتوني" (Hamiltonian amplification)، تعمل فعلياً على تضخيم إزاحة الطور الضئيلة الناتجة عن القياس، مما يجعل اكتشافها أسهل بكثير. والأهم من ذلك، أن هذا التعزيز يعمل بغض النظر عن نوع الضوء الذي يتم تغذية الآلة به، سواء كان شعاعاً قياسياً من ضوء الليزر أو حتى فراغاً لا يحتوي على ضوء على الإطلاق، بشرط تطبيق بروتوكول العصر الديناميكي.

أثبت الفريق من خلال عمليات محاكاة حاسوبية مفصلة أن تقنية "العصر الديناميكي" هذه يمكن أن تعزز دقة القياس بما يتجاوز الحدود التي كان يُعتقد سابقاً أنها ممكنة. وفي نموذجهم، أظهروا أنه من خلال التناوب السريع بين عصر الضوء في اتجاه واحد ثم في الاتجاه العمودي عليه، يتم تضخيم الإشارة الضئيلة التي يحاولون قياسها بمعامل يعتمد على قوة عملية العصر. هذا التضخيم يسمح للجهاز باكتشاف إزاحات الطور بدقة تتجاوز "حد هايزنبرغ"، وهو إنجاز يتطلب عادةً تفاعلات معقدة وغير خطية يصعب تحقيقها في الممارسة العملية. ووجد الباحثون أن هذا التحسن ليس مجرد فضول نظري؛ فبقدر متواضع من عملية العصر، يمكن تحسين الحساسية بأكثر من رتبة مقدار مقارنة بالطرق القياسية.

ومن أكثر النتائج لفتاً للنظر هو أن هذه الطريقة تعمل حتى عندما يتم تغذية المتداخل بالفراغ، وهي حالة لا تتواجد فيها أي فوتونات في البداية. في التجهيزات التقليدية، لن ينتج مدخل الفراغ أي إشارة على الإطلاق لأن الفوتونات غير موجودة لحمل معلومات الطور؛ ومع ذلك، فإن عملية العصر الديناميكي تولد فوتونات داخل الآلة نفسها، مما يخلق إشارة حيث لم تكن موجودة من قبل. وهذا يسمح للجهاز بتحقيق مستوى من الدقة يتجاوز الحدود الأساسية التي يفرضها عدد الفوتونات المستخدمة فعلياً في القياس. كما استكشفت الدراسة كيفية أداء هذه الطة عند دمجها مع حالات مدخلات متقدمة أخرى، مثل "الفراغ المعصور"، مظهرةً أن فوائد العصر الديناميكي يمكن تراكمها فوق المزايا الكمية الموجودة بالفعل لخلق مستشعر أكثر قوة.

وقد حرص الباحثون على اختبار مدى صمود هذه الطريقة الجديدة أمام العيوب الحتمية في العالم الحقيقي، وتحديداً فقدان الفوتونات أثناء انتقالها عبر النظام. في أي جهاز فيزيائي، يتم دائماً امتصاص بعض الضوء أو تشتيته، مما يؤدي عادةً إلى تدمير التأثيرات الكمية الدقيقة اللازمة للدقة العالية. وكشفت عمليات المحاكاة أنه بينما يتدهور الأداء مع زيادة فقدان الفوتونات، إلا أن الطريقة تظل مرنة بشكل مثير للدهشة لعدد قليل من الخطوات. إن تعزيز الحساسية يصمد جيداً أمام المستويات المتوسطة من الفقد، مما يشير إلى أن التقنية يمكن أن تكون قابلة للتطبيق في التطبيقات العملية دون الحاجة إلى ظروف مثالية خالية من الفقد. وتعد هذه المتانة خطوة مهمة للأمام، إذ تعني أن تسلسلات عمليات العصر المعقدة لا تحتاج إلى أن تكون مثالية لتوفال ميزة هائلة على التقنيات الحالية.

يشير العمل إلى مسار جديد للمستشعرات الكمية، يعتمد على تعديل رحلة الضوء بدلاً من مجرد تعديل نقطة البداية. فمن خلال استخدام سلسلة من عمليات العصر البسيطة أحادية النمط التي يمكن تحقيقها بالفعل باستخدام التكنولوجيا الحالية، أظهر الباحثون أنه من الممكن تحسين القدرة على قياس الكميات الفيزيائية مثل المجالات المغناطيسية أو موجات الجاذبية بشكل كبير. وتشير النتائج إلى أن طريق القياسات فائقة الدقة لا يتطلب بالضرورة أكثر المواد غرابة أو أكثر التفاعلات تعقيداً، بل يمكن العثور عليه بدلاً من ذلك في التلاعب الذكي بكيفية تطور الضوء بمرور الوقت. يقدم هذا النهج مساراً واعداً لبناء مستشعرات ليست فقط أكثر حساسية، بل أيضاً أكثر عملية للتنفيذ في سيناريوهات العالم الحقيقي، مما قد يفتح أبواباً جديدة لرصد أخفت همسات الكون.