Time domain non-linear quantum interferometry

تخيل محاولة سماع همسة واحدة في غرفة مليئة بضجيج محرك نفاث. في عالم الفيزياء، هذا هو التحدي اليومي للكشف عن أضعف الإشارات من الكون، مثل الجسيمات المراوغة التي قد تشكل المادة المظلمة أو تموجات موجات الجاذبية عالية التردد. لعقود من الزمن، اعتمد العلماء على تقنية تسمى "التداخل الضوئي" (interferometry)، والتي تقوم بتقسيم الموجة إلى مسارين ثم إعادة دمجهما للكشف عن الفروق الدقيقة. ومع ذلك، حتى أكثر الأدوات مثالية تواجه حاجزاً جوهرياً يُعرف بـ "حد ضجيج الطلقة" (shot noise limit). هذا ليس عيباً في الآلة، بل هو نتيجة للطبيعة الكمومية للضوء نفسه؛ فبما أن الضوء يتكون من حزم منفصلة تسمى الفوتونات، فإن هناك اضطراباً عشوائياً لا يمكن تجنبه في شدة الشعاع، مما يؤدي إلى طمس الإشارات الأضعف من حد معين. ولرؤية أهدأ أسرار الكون، يجب على الباحثين إيجاد طريقة للاستماع لما وراء هذا الضجيج الكمومي.

قام فريق من الفيزيائيين في فرنسا ببناء جهاز يقوم بهذا بالضبط، حيث ابتكروا نوعاً جديداً من مقياس التداخل الكمومي الذي يمكنه اكتشاف إشارات أقل بكثير من حد الضجيج القياسي. وتوضح دراستهم، التي نُشرت مؤخراً، طريقة لاستشعار إشارات ميكروويف تحتوي على أقل من فوتون واحد في المتوسط، وهو إنجاز كان يُعتقد سابقاً أنه يتطلب معدات أكثر تعقيداً وهشاشة. ومن خلال استخدام دائرة خاصة مصنوعة من الألمنيوم الحبيبي (granular aluminum) وفجوة ميكروويف، نجح الباحثون في إنشاء نظام يضخم الإشارات الضعيفة من خلال عملية غير خطية، مما يحول الهمسة فعلياً إلى صرخة دون إضافة الضجيج الخلفي المعتاد. ويمثل هذا الاختراق مساراً واعداً جديداً للبحث عن المادة المظلمة ومراقبة الظواهر الكونية التي ظلت مخفية حتى الآن.

جوهر هذه التجربة هو إعداد يشبه جهاز استقبال راديو متطور ولكنه يعمل على المستوى الكمومي. استخدم الباحثون فجوة ميكروويف ثلاثية الأبعاد، وهي عبارة عن صندوق معدني مجوف يحبس الموجات الكهرومغناطيسية، ووضعوا بداخلها دائرة صغيرة مصنوعة من الألمنيوم الحبيبي. هذه المادة فريدة لأنها مقاومة للمجالات المغناطيسية وتمتلك خاصية تسمى "اللانمطية" (anharmonicity)، مما يعني أن استجابتها للطاقة ليست خطاً مستقيماً بسيطاً، بل تنحني بطريقة تسمح بتفاعلات معقدة. قام الفريق بتغذية الفجوة بإشارة ميكروويف قوية، تعمل كشعاع مرجعي، ثم أدخلوا إشارة ثانية ضعيفة للغاية أرادوا اكتشافها. في الإعداد التقليدي، ستضيع هذه الإشارة الضعيفة في ضجيج الشعاع القوي، ولكن هنا، تعمل دائرة الألمنيوم الحبيبي كعدسة غير خطية.

يحدث السحر من خلال عملية تسمى "تداخل رامزي" (Ramsey interferometry)، وهي طريقة تُستخدم عادةً لقياس الوقت أو التردد بدقة متناهية. أعد الباحثون دائرة الألمنيوم في حالة دقيقة من "التراكب" (superposition)، حيث توجد في حالتين في آن واحد، ثم تركوها تتطور بحرية. خلال هذا الوقت، تفاعل شعاع المرجع القوي وإشارة الاختبار الضعيفة مع الدائرة. وبسبب الطبيعة غير الخطية للدائرة، تسببت حتى الأعداد الضئيلة من الفوتونات من الإشارة الضعيفة في إحداث إزاحة قابلة للقياس في طور (phase) حالة الدائرة. الأمر كما لو أن الإشارة الضعيفة دفعت الدائرة بما يكفي لتغيير توقيت إيقاعها الداخلي، وهو تغيير يمكن قراءته من خلال قياس إشارة الميكروويف المرتدة من الفجوة.

كانت النتائج مذهلة. أظهر الفريق أن جهازهم يمكنه اكتشاف إشارة تحتوي على 0.01 فوتون فقط في غض way 400 ميكروثانية، وحتى إشارات أصغر تبلغ 0.00001 فوتون إذا سمحوا للقياس بالاستمرار لمدة 400 مللي ثانية. ولوضع ذلك في المنظور، فإن الكاشف القياسي سيحتاج إلى انتظار وقت أطول بكثير أو استخدام مضخمات أقوى لرؤية مثل هذه الإشارات الضعيفة، وغالباً ما يؤدي ذلك إلى إدخال المزيد من الضجيج في العملية. وأظهر الباحثون أن طريقتهم تعمل من خلال قياس "طور" الإشارة الخارجة بدلاً من مجرد قياس قدرتها، مما يسمح لهم بتجاوز قيود ضجيج الطلقة. وقد أكدوا أن الجهاز يمكنه التمييز بين الإشارة الضعيفة والضجيج الخلفي من خلال مراقبة كيفية تذبذب طور الإشارة الخارجة أثناء تعديل توقيت الإشارة الضعيفة.

من أهم جوانب هذا العمل هي متانته. فالعديد من المستشعرات الكمومية هشة للغاية وتفشل إذا تعرضت لمجالات مغناطيسية، وهي مجالات غالباً ما تكون ضرورية للتجارب التي تبحث عن المادة المظلمة. ومع ذلك، ولأن دائرة الألمنيوم الحبيبي مقاومة طبيعياً للمجالات المغناطيسية، تمكن الباحثون من تشغيل مقياس التداخل الخاص بهم تحت مجال مغناطيسي بقوة 100 مللي تسلا دون فقدان الحساسية. وهذا يشير إلى إمكانية دمج الجهاز في تجارب أكبر تتطلب مغانط قوية، مثل تلك المصممة لتحويل جسيمات المادة المظلمة الافتراضية إلى فوتونات قابلة للكشف. كما لاحظ الفريق أن الجهاز يمكنه من المحتمل مسح نطاق واسع جداً من الترددات، مما يجعله أداة متعددة الاستخدامات لاستكشاف أنواع مختلفة من الإشارات الكونية.

تتجاوز تداعيات هذا الاكتشاف مجرد قياس الإشارات الضعيفة. إن القدرة على اكتشاف مثل هذه الحقول الميكروية الضعيفة تفتح الباب للبحث عن مرشحي المادة المظلمة مثل "الأكسيونات" (axions) أو "الفوتونات المظلمة"، والتي يُتوقع أن تنتج إشارات في نطاق الميكروويف. هذه الجسيمات، إذا وجدت، ستتفاعل بشكل ضعيف جداً مع المادة العادية، مما يجعل اكتشافها شبه مستحيل بالتقنيات الحالية. ومن خلال تجاوز حد ضجيج الطلقة، يوفر مقياس التداخل الجديد هذا طريقة للاستماع لهذه الجسيمات بحساسية لم يكن من الممكن الوصول إليها سابقاً. كما أشار الباحثون إلى أن طريقتهم يمكن تكييفها لاكتشاف موجات الجاذبية عالية التردد أو "الماسر" الفلكي (astronomical masers)، وهي مصادر طبيعية لإشعاع الميكروويف في الفضاء.

وعلى الرغم من أن الجهاز ليس بعد منتجاً نهائياً جاهزاً للنشر في تلسكوب فضائي، إلا أنه يمثل خطوة حاسمة للأمام في مجال الاستشعار الكمومي. لقد أظهر الباحثون أنه من خلال استخدام الخصائص غير الخطية لدائرة فائقة التوصيل بسيطة، من الممكن إنشاء مقياس تداخل يتسم بالحساسية والمتانة في آن واحد. لم يدّعوا أنهم حلوا لغز المادة المظلمة، لكنهم قدموا أداة جديدة وقوية يمكن أن تساعد في الإجابة على هذا السؤال. ويقف هذا العمل كشهادة على فكرة أنه من خلال فهم ومعالجة الخصائص الكمومية الأساسية للمواد، يمكن للعلماء بناء أدوات ترى أبعد وتسمع أهدأ من أي وقت مضى. ومع استمرار تطور مجال الاستشعار الكمومي، قد يصبح هذا النهج المتمثل في استخدام الدوائر غير الخطية للتغلب على حدود الضجيج تقنية قياسية لاستكشاف أعماق الكون.