Spatial correlations of photons interacting via transverse Rydberg blockade

عادة ما يتصرف الضوء كتدفق من الجسيمات المستقلة، حيث تمر عبر بعضها البعض دون أدنى تفكير. ولجعل الضوء يتفاعل مع نفسه، سعى العلماء طويلاً لإيجاد طرق تجبر الفوتونات على التأثير في بعضها البعض، وهو إنجاز قد يحدث ثورة في كيفية معالجة المعلومات وبناء الحواسيب الكمومية. وتتمثل إحدى أكثر الطرق واعدة لتحقيق ذلك في حجز الضوء داخل سحابة من الذرات شديدة البرودة. فعندما يتم استثارة هذه الذرات إلى حالة عالية الطاقة تُعرف باسم "حالة ريدبرغ" (Rydberg state)، تصبح ضخمة الحجم وتمارس تأثيراً قوياً على جيرانها. ويخلق هذا التأثير "حصاراً" (blockade)، وهو منطقة تمنع فيها وجود ذرة واحدة مستثارة أي ذرة أخرى قريبة منها من أن تصبح مستثارة بنفس الطوال. وفي الماضي، نجح الباحثون في استخدام هذا التأثير لجعل الفوتونات تتفاعل، لكنهم ركزوا في الغالب على دراسة هذه التفاعلات على طول خط واحد، حيث تعاملوا مع شعاع الضوء كما لو كان خيطاً رفيعاً. وقد كشف هذا النهج عن سلوكيات غنية من حيث الزمن، لكنه ترك الطبيعة ثلاثية الأبعاد الكاملة للتفاعل غير مستكشفة إلى حد كبير.

قام فريق من الفيزيائيين الآن بتوسيع هذه الرؤية، حيث طوروا نظرية تصف كيف تتفاعل فوتونان ليس فقط على طول مسارهما، بل أيضاً عبر عرض الشعاع. ومن خلال محاكاة حركة الفوتونات عبر سحابة ثنائية الأبعاد من الذرات، اكتشف الباحثون أن القواعد التي تحكم كيفية تجنب هذه الجسيمات لبعضها البعض تختلف جوهرياً باختلاف الاتجاه. فعند النظر إلى التفاعل على طول الاتجاه الذي ينتقل فيه الضوء، تتصرف الفوتونات كما لو كانت تنتشر (diffusing)، أو تتوزع، بسبب الطريقة التي تستجيب بها الذرات للضوء. ومع ذلك، عند النظر إلى التفاعل عبر عرض الشعاع، تتصرف الفوتونات مثل موجات الضوء التي تنحي (diffract) حول عائق، حيث تنتشر في نمط تمليه الطبيعة الموجية للضو نفسه. وهذا التمييز أمر بالغ الأهمية لأنه يعني أن "المنطقة المحظورة" حيث لا يمكن لوجود فوتونين أن يحدث في آن واحد، تتشكل بواسطة آليتين فيزيائيتين مختلفتين تعملان في وقت واحد.

قام الباحثون بنمذجة سيناريو يمر فيه شعاع ليزر، مشكل على هيئة منحنى جرس سلس، عبر سحابة من الذرات المشكلة هي الأخرى على هيئة منحنى جرس. وحسبوا سلوك فوتونين أثناء مرورهما عبر هذا الوسط، متتبعين كيف تتغير احتمالية وجودهما معاً في كل من الاتجاه الأمامي والاتجاه الجانبي. وأظهرت حساباتهم أن المنطقة التي يُمنع فيها الفوتونان من الاقتراب من بعضهما البعض ليست دائرة مثالية؛ بل إنها تمتد لتصبح شكلاً بيضاوياً. ويتحدد طول هذا الشكل البيضاوي بمدى سرعة استجابة الذرات للضوء، وهو عامل مرتبط بنطاق عرض التفاعل (bandwidth). أما عرض الشكل البيضاوي، فيتم تحديده مباشرة بالحجم الفيزيائي لنصف قطر الحصار (blockade radius)، وهو المسافة التي تتنافر عبرها ذرات ريدبرغ مع بعضها البعض. ويؤكد هذا الاكتشاف أن التفاعل المستعرض، أو الجانبي، هو ظاهرة متميزة يمكن قياسها بشكل مستقل عن التفاعلات الزمنية التي تمت دراستها في الماضي.

ولفهم مقياس هذا التأثير، قام الفريق بتغيير حجم شعاع الليزر الوارد بالنسبة لحجم منطقة الحصار. فعندما كان الشعاع أعرض بكثير من منطقة الحصار، خلقت الفوتونات ثقباً مظلماً واضحاً في مركز شعاع المخرج، تماماً حيث منعهم الحصار من التواجد. وكان عرض هذا الثقب يطابق نصف قطر الحصار، أي حوالي ضعف المسافة التي تتنافر عبرها الذرات مع بعضها البعض. ومع ذلك، عندما كان الشعاع أضيق من منطقة الحصار، تغير التأثير؛ حيث اختفى الثقب الحاد، وحل محله اتساع في الضوء ناتج عن الانتشار الطبيعي للشعاع أثناء انتقاله. ويمثل هذا الانتقال تحولاً من نظام تهيمن فيه التفاعلات الذرية إلى نظام تهيمن فيه الطبيعة الموجية للضوء. وتشير عمليات المحاكاة إلى أنه من خلال قياس النمط المكاني للضوء بعد خروجه من السحابة، يمكن للعلماء تحديد حجم نصف قطر الحصار مباشرة، مما يوفر طريقة جديدة ودقيقة لقياس هذه التفاعلات الكمومية.

يعتمد هذا العمل على نموذج رياضي يبسط الوصف المعقد المكون من تسعة أجزاء لنظام الفوتون والذرة إلى معادلة واحدة أسهل في الفهم. وتعامل هذه المعادلة الفوتونين ككيان واحد يتحرك عبر مشهد طبيعي تشكله الذرات. وفي هذا المشهد، تعمل الذرات كـ "تلة جهد" (potential hill) يجب على الفوتونات تجاوزها. وتوضح النموذج أن الفوتونات تتحرك بشكل مختلف على طول مسار الشعاع مقارنة بحركتها عبره، تماماً مثل جسيم يتحرك عبر وسط يقدم مقاومة مختلفة في اتجاهات مختلفة. وقد تحقق الباحثون من نموذجهم المبسط من خلال مقارنته بمحاكاة عددية كاملة ومفصلة، وتطابقت النتائج بشكل وثيق. ويعطي هذا الاتفاق الثقة في أن الصورة المبسطة تلتقط الفيزياء الأساسية للموقف دون الحاجة إلى حل النسخة الأكثر تعقيداً من المعادلات في كل مرة.

تثبت هذه النتائج أن الحصار المستعرض لريدبرغ (transverse Rydberg blockade) هو آلية قابلة للقياس ومتميزة لخلق الارتباطات بين الفوتونات. وبينما ركزت التجارب السابقة على كيفية تجمع الفوتونات أو تجنبها لبعضها البعض من حيث الزمن، يوضح هذا العمل أنها تفعل ذلك أيضاً من حيث المكان. إن القدرة على التحكم في هذه الارتباطات المكانية وقياسها تفتح الباب أمام إنشاء حالات كمومية معقدة للضوء توجد في أبعاد أعلى. ويمكن لمثل هذه الحالات أن تحمل معلومات أكثر من مجرد إشارات بسيطة (تشغيل/إيقاف)، مما يوفر موارد جديدة للاتصالات والحوسبة الكمومية. ولا تدعي الدراسة أنها صنعت جهازاً يعمل بعد، لكنها توفر الأساس النظري والتنبؤات المحددة اللازمة لتصميم مثل هذه التجارب. ومن خلال إظهار أن نصف قطر الحصار يضع حداً صلباً لمدى قرب الفوتونات من بعضها البعض في الاتجاه المستعرض، حدد الباحثون خاصية جديدة يمكن ملاحظتها واستخدامها لسبر الخصائص الأساسية للتفاعل بين الضوء والمادة.