Probabilistic generation of two-mode binomial cat states using cross-Kerr interactions

تعتمد التكنولوجيا الكمومية على نوع فريد من اللبنات الأساسية: حالة من المادة توجد في شكلين مختلفين تماماً في الوقت نفسه. تخيل موجة ضوئية تكون ساطعة وخافتة في آن واحد، أو جسماً ميكانيكياً يهتز وساكناً في نفس الوقت. يطلق العلماء على هذه الحالات اسم "حالات القط" (cat states)، وهو اسم مستعار من تجربة فكرية شهيرة حول قطة تكون حية وميتة في آن واحد حتى يتم رصدها. هذه التراكبات هي محرك غرف العمليات لحواسيب المستقبل الكمومية والمستشعرات فائقة الدقة. وبينما تعلم الباحثون كيفية إنشاء نسخ بسيطة من هذه الحالات باستخدام شعاع ضوئي واحد، فإن النسخ الأكثر قوة تتطلب ترتيباً أكثر تعقيداً يتضمن شعاعين متزامنين بدقة تامة. لقد كان التحدي دائماً هو أن صنع حالات الشعاعين هذه يتطلب عادةً البدء بنوع معين وصعب الصنع من الضوء لا يتصرف كموجة عادية. وقد عمل هذا المتطلب كعائق منع العديد من التطبيقات المحتملة من الخروج من المختبر.

لقد اقترح فريق من الباحثين طريقة جديدة لبناء هذه الحالات المعقدة تزيل الحاجة إلى تلك المواد الأولية الصعبة. فبدلاً من اشتراط حالة أولية نادرة وغريبة، تستخدم طريقتهم موجات ضوئية قياسية سهلة الإنشاء. وتعتمد العملية على تفاعل محدد بين الموجات الضوئية يحدث داخل دائرة متخصصة مصنوعة من مواد فائقة التوصيل. ومن خلال ضبط توقيت كيفية تفاعل هذه الموجات بعناية، ثم إجراء نوع معين من القياس على موجة ثالثة مساعدة، يمكن للباحثين الإشارة إلى وقت إنشاء حالة "القط" المطلوبة بنجاح. ويشير عملهم إلى أن هذه الطريقة ليست سليمة نظرياً فحسب، بل هي أيضاً قوية بما يكفي للعمل في ظروف العالم الحقيقي حيث تُفقد الطاقة باستمرار في البيئة المحيطة.

يكمن جوهر هذا النهج الجديد في كيفية تلاعب الباحثين بالضوء داخل دائرة فائقة التوصيل. في هذه الدوائر، يتصرف الضوء كموجات محاصرة في رنانات صغيرة. يستخدم الباحثون خاصية طبيعية لمواد الدائرة تسمى "تفاعل كير المتقاطع" (cross-Kerr interaction). يتسبب هذا التأثير في إزاحة طاقة موجة ضوئية واحدة قليلاً اعتماداً على عدد الجسيمات، أو الفوتونات، الموجودة في موجة مجاورة. وبينما يحدث هذا التفاعل بشكل طبيعي في هذه الأجهزة، فقد صمم الباحثون بروتوكولاً لتسخيره. يبدأون بتجهيز ثلاث موجات ضوئية منفصلة؛ اثنتان منها هما الموجتان الرئيسيتان المقصود بهما أن تصبحا حالة القط النهائية، والثالثة هي موجة مساعدة تعمل كرسول. تبدأ جميعها كموجات ضوئية بسيطة ومعيارية، وهي أسهل بكثير في التوليد من الحالات الغريبة التي تطلبتها الطرق السابقة.

بمجرد وضع الموجات في مكانها، يُسمح لها بالتفاعل لفترة زمنية دقيقة. خلال هذه الفترة، يربط تأثير "كير المتقاطع" عدد الجسيمات في الموجتين الرئيسيتين بـ "الطور" (phase)، أو التوقيت، للموجة المساعدة الثالثة. فكر في الموجة المساعدة كعقرب ساعة يدور بسرعة أكبر أو أبطأ اعتماداً على عدد الجسيمات في الموجات الرئيسية. بعد انتهاء فترة التفاعل، يقوم الباحثون بإجراء قياس على هذه الموجة المساعدة. هذا القياس لا يدمر الموجات الرئيسية، بل يعمل كمرشح (فلتر)؛ فإذا وقعت نتيجة القياس ضمن نطاق معين، فإن ذلك يؤكد أن الموجتين الرئيسيتين قد انهارتا إلى التراكب المعقد المطلوب. وهذا التأكيد هو ما يسمما العلماء عملية "التبشير" (heralding) بالحالة. العملية احتمالية، مما يعني أنها لا تنجح في كل مرة، ولكن عندما تنجح، تكون النتيجة حالة "قط" عالية الجودة.

حلل الباحثون فكرتهم باستخدام اشتقاقات نظرية تضمنت الواقع الفوضوي للعالم الفيزيائي. في أي تجربة حقيقية، يتسرب الضوء من الدائرة، وتُفقد الطاقة في البيئة، مما يؤدي عادةً إلى إفساد الحالات الكمومية الدقيقة. ووجد الفريق أن طريقتهم مرنة بشكل مثير للإعجاب تجاه هذا الفقد. لقد استنتجوا أن حجم الموجة المساعدة الأولية هو عامل حاسم؛ فإذا كانت الموجة المساعدة صغيرة جداً، فلن يتمكن القياس من التمييز بين النتائج المختلفة بوضوح، وإذا كانت كبيرة جداً، فإن التفاعل مع البيئة سيؤدي إلى تدهور الحالة قبل قياسها. ومن خلال إيجاد حل وسط، حددوا حجماً أمثلاً للموجة المساعدة يوازن بين هذه التأثيرات المتضاربة.

في تحليلهم، وباستخدام معاملات تطابق الأجهزة فائقة التوصيل الحالية، أظهر الباحثون أنه يمكنهم توليد حالات "القط" ثنائية النمط بدقة (fidelity)، أو جودة، تصل إلى حوالي 95 بالمائة. وقد تم تحقيق هذا المستوى العالي من الدقة حتى مع مراعاة فقدان الفوتونات، وهو المصدر الرئيسي للضجيج في هذه الأنظمة. كما كانت نسبة النجاح في توليد هذه الحالات كبيرة، حيث وصلت احتمالية نجاح التجربة إلى ما يقرب من 50 بالمائة عند النظر في مجموعة من النتائج المحتملة. وهذا اكتشاف حاسم لأنه يثبت أن الطريقة عملية بما يكفي لمنصات التجارب الحالية. وأشار الباحثون أيضاً إلى أن نهجهم ليس مقتصرًا على موجتين فقط؛ إذ يمكن توسيع المنطق نفسه لإنشاء حالات أكثر تعقيداً تتضمن ثلاث موجات أو أكثر، مما يفتح البلو لإنشاء هياكل كمومية أكثر ثراءً.

يمثل هذا العمل تحولاً في كيفية مقاربة العلماء لإنشاء الموارد الكمومية. فمن خلال إظهار إمكانية بناء حالات معقدة ومصححة للأخطاء من موجات ضوئية "غاوسية" بسيطة، أزال الفريق عقبة تجريبية كبرى. كانت الطرق السابقة تتطلب البدء بحالة مُعدة بدقة بالفعل، وهو ما كان غالباً الجزء الأصعب من العملية. إن هذا البروتوكول الجديد يقلب الطاولة، حيث يستخدم مكونات بسيطة وقياساً ذكياً للقيام بالعمل الشاق. إن القدرة على توليد هذه الحالات بدقة عالية ودون موارد أولية غريبة تشير إلى أن الطريق نحو بناء حواسيب ومستشعرات كمومية قوية أصبح أكثر وضوحاً. لقد قدم الباحثون مخططاً يعتمد على مكونات قياسية وتفاعلات طبيعية، مما يجعل حلم التكنولوجيات الكمومية واسعة النطاق يبدو أقرب إلى التحقق.