Spin-to-polarization mapping with a coherent quantum dot-cavity receiver

في سعيها لبناء إنترنت كمي، يحاول العلماء حل مشكلة جوهرية: كيف يمكن جعل الضوء والمادة يتحدثان مع بعضهما البعض بشكل مثالي. فالضوء، في شكل فوتونات، ممتاز لنقل المعلومات عبر مسافات طويلة لأنه يتحرك بسرعة ولا يسهل تشويشه. أما المادة، وتحديداً الجسيمات الصغيرة مثل الإلكترونات المحاصرة داخل مواد صلبة، فهي ممتازة لتخزين تلك المعلومات لأنها تظل في مكانها. ويكمن التحدي في إنشاء جسر بين الاثنين. فمن أجل أن تعمل الشبكة الكمية، يجب أن يكون بمقدور إلكترون ثابت تغيير حالة فوتون عابر بطريقة يمكن التنبؤ بها، ويجب أن يكشف هذا الفوتون بدوره عن حالة الإلكترون. وإذا كانت هذه الصلة فوضوية أو عشوائية، فإن المعلومات ستضيع. لطالماً بحث الباحثون عن جهاز يمكن فيه قراءة "لف" (spin) الإلكترون — وهي خاصية يمكن تشبيهها ببوصلة داخلية صغيرة تشير إما للأعلى أو للأسفل — ببساطة من خلال النظر إلى لون أو اتجاه جسيم ضوئي واحد منعكس.

لقد أظهر فريق من الباحثين في مركز العلوم والتقانات النانوية (Centre de Nanosciences et Nanotechnologies) في فرنسا الآن خطوة حاسمة نحو هذا الهدف. فقد بنوا جهازاً متخصصاً يحتوي على إلكترون واحد محاصر داخل عمود مجهري من الكريستال، يعمل كمرآة عالية الجودة للضوء. ومن خلال إطلاق شعاع ليزر على هذا الجهاز، أظهروا أن اتجاه البوصلة الداخلية للإلكترون يتحكم مباشرة في اتجاه الضوء المرتد. فعندما يشير الإلكترون في اتجاه ما، يلتوي الضوء المنعكس في اتجاه واحد؛ وعندما يشير في الاتجاه الآخر، يلتوي الضوء في الاتجاه المعاكس. وهذا يخلق رابطاً مثالياً بنسبة واحد إلى واحد بين الحالة غير المرئية للإلكترون والحالة المرئية للضوء. وقد أثبت الفريق أنه من خلال رصد فوتون واحد منعكس فقط، يمكنهم تحديد حالة الإلكترون بدقة تصل إلى 95%. علاوة على ذلك، راقبوا كيف تتلاشى حالة الإلكترون ببطء بمرور الوقت من خلال تتبع كيفية تغير اتجاه الضوء في اللحظات التي تلت الرصد الأول، مما رسم فعلياً دورة حياة الإلكترون على سلوك الضوء.

اعتمدت التجربة على جهاز يُعرف باسم "النقطة الكمية المشحونة"، وهي في الأساس جزيرة صغيرة من مادة أشباه الموصلات قادرة على احتواء إلكترون واحد. وقد وُضعت هذه الجزيرة داخل تجويف عمود مجهري، وهو هيكل مصنوع من طبقات متبادلة من الكريستال تحصر الضوء، مما يجبره على الارتداد ذهاباً وإياباً عدة مرات قبل الهروب. هذا الحصر يعزز التفاعل بين الضوء والإلكترون. قام الباحثون بتبريد النظام بأكمله إلى 4 كلفن، وهي درجة حرارة أعلى قليلاً من الصفر المطلق، لإبقاء الإلكترون هادئاً ومستقراً. وسلطوا شعاع ليزر مستمر، مضبوط على تردد محدد، على قمة العمود. وبينما يصطدم الضوء بالجهاز، ينعكس جزء منه فوراً، بينما يدخل جزء آخر إلى التجويف، ويتفاعل مع الإلكترون، ثم يرتد خارجاً. وكان الاكتشاف الرئيسي هو أن الطريقة التي يتداخل بها الضوء مع نفسه عند مغادرة الجهاز تعتمد تماماً على ما إذا كان الإلكترون يدور للأعلى أو للأسفل.

ولإثبات هذا الاتصال، أعد العلماء نظام قياس متطور باستخدام جهازي "بولاريمتر" (مستقطب)، وهي أدوات يمكنها اكتشاف الاتجاه الدقيق لموجات الضوء. قاموا أولاً بقياس السلوك المتوسط للضوء لإيجاد نقطة الضبط المثالية حيث يكون الفرق بين حالتي الإلكترون أكثر وضوحاً. وبمجرد العثور على هذه النقطة المثالية، بدأوا تجربة أكثر دقة تتضمن أزواجاً من الفوتونات. انتظروا حتى ينعكس الفوتون الأول عن الجهاز ويتم رصده في اتجاه معين. عمل هذا الرصد كلقطة فورية، كاشفاً عن حالة الإلكترون في تلك اللحظة بالضبط. فإذا عاد الفوتون الأول بالتواء معين، عرف الباحثون أن الإلكترون يرجح أن يكون مشيراً للأعلى. ثم انتظروا جزءاً ضئيلاً من الثانية ليروا ماذا سيفعل الفوتون الثاني.

أظهرت النتائج قصة تتكشف عبر الزمن. فمباشرة بعد رصد الفوتون الأول، انعكس الفوتون الثاني بنفس الاتجاه، مما أكد أنه تم إسقاط حالة الإلكترون بنجاح وأنها كانت مستقرة لتلك اللحظة القصيرة. ومع ذلك، ومع مرور الوقت، بدأ اتجاه الفوتون الثاني في الانحراف. لم يكن هذا الانحراف عشوائياً؛ بل اتبع نمطاً يمكن التنبؤ به بينما يسترخي الإلكترون طبيعياً من حالته المحددة ليعود إلى حالة مختلطة وغير محددة. وقاس الباحثون عملية الاسترخاء هذه ووجدوا أن الإلكترون حافظ على اتجاهه المحدد لمدة 1.9 نانو ثانية تقريباً قبل أن تبدأ المعلومات في التلاشي. وكانت هذه الفترة الزمنية محدودة بالتفاعل الطبيعي بين الإلكترون والنوى الذرية المحيطة به، وهي عملية تُعرف باسم "التفاعل الفائق الدقة" (hyperfine interaction).

كما لاحظ الفريق مرحلة أولية سريعة جداً استمرت حوالي 200 بيكو ثانية، وهي الوقت الذي يستغرقه الضوء لبناء تفاعل مستقر مع الإلكترون داخل التجويف. خلال هذه اللحظة الوجيزة، كان سلوك الضوء لا يزال في مرحلة الاستقرار، ولكن بمجرد مرور هذه المرحلة الانتقالية، ظهرت العلاقة الواضحة والمتميزة بين لف الإلكترون واستقطاب الضوء. ومن خلال قياس الضوء عند تأخيرات زمنية مختلفة، استطاع الباحثون إعادة بناء دورة حياة الإلكترون بأكملها، من اللحظة التي تم فيها تحديد حالته بواسطة الفوتون الأول إلى اللحظة التي فقد فيها تعريفها. ووجدوا أن الحالتين المحتملتين للإلكترون تنتجان ضوءاً متضاداً تماماً تقرياً، مثل سهمين يشيران إلى اتجاهين متقابلين بدقة.

يُظهر هذا العمل أنه من الممكن هندسة نظام يمكن فيه ربط إلكترون واحد وفوتون واحد بدقة عالية. وبينما يقتصر الجهاز الحالي على المدة التي يمكن للإلكترون خلالها الاحتفاظ بحالته قبل الاسترخاء، يقترح الباحثون أن استخدام نوع مختلف من الجسيمات، مثل "الثقب" (وهو غياب الإلكترون)، يمكن أن يمد هذه الفترة بشكل كبير. إن القدرة على قراءة وكتابة المعلومات الكمية باستخدام الضوء بهذه الطريقة الحتمية هي متطلب أساسي لبناء بوابات المنطق الكمي، وهي اللبنات الأساسية للحواسيب الكمية المستقبلية. ومن خلال إثبات أن انعكاساً واحداً يمكن أن يكشف عن حالة "كيوبت" (qubit) ثابت ويمكن تتبع هذه الحالة عبر الزمن، توفر الدراسة مساراً ملموساً نحو الشبكات المعقدة اللازمة لإنترنت كمي. وتؤكد النتائج أنه مع المواد المناسبة والضبط الدقيق، يمكن تسخير العالم الفوضوي لميكانيكا الكم لخلق اتصالات موثوقة وقابلة للتحكم بين الضوء والمادة.