Pulsed coherent and squeezed driving of a spin-$S$ emitter as a deterministic source of Wigner-negative light

في مجال التكنولوجيا الكمومية، لا يُعد الضوء مجرد شعاع ينير غرفة ما؛ بل هو أداة دقيقة قادرة على حمل المعلومات بطرق لا يمكن للفيزياء الكلاسيكية تفسيرها. ولعديد من التطبيقات المتقدمة، مثل بناء الحواسيب الكمومية أو إجراء قياسات فائقة الدقة، يحتاج العلماء إلى ضوء يتصرف بطريقة غريبة ومتميزة. غالبًا ما يوصف هذا السلوك من خلال خريطة رياضية تسمى "توزيع ويغنر" (Wigner distribution)، والتي تعمل كخريطة طبوغرافية للحالة الكمومية للضوء. على هذه الخريطة، يبدو معظم الضوء العادي، مثل الضوء المنبعث من مؤشر الليزر، كتلة ناعمة وإيجابية. ومع ذلك، فإن أكثر الحالات الكمومية فائدة للضوء تمتلك وديانًا "سالبة" على هذه الخريطة. هذه المناطق السالبة هي علامة فارقة تشير إلى أن الضوء يتصرف بطريقة مستحيلة للأجسام الكلاسيكية، مما يجعله موردًا للجيل القادم من التكنولوجيا. لقد كان التحدي دائمًا هو كيفية إنشاء هذه الحالات السالبة بشكل موثوق. تاريخيًا، اضطر العلماء إلى الاعتماد على الحظ، حيث يقومون بتوليد الضوء ثم يأملون أن يؤكد قياس ما أنه قد نجح، وهي عملية بطيئة وغير فعالة.

لقد وجد فريق من الباحثين في جامعة أوكلاند طريقة لتجاوز هذا الاعتماد على الصدفة. فقد أثبتوا، من خلال محاكاة حاسوبية مفصلة، أنه يمكنهم توليد هذه الحالات السالبة القيمة للضوء عند الطلب، باستخدام طريقة تتسم بالدقة والكفاءة العالية. يتضمن نهجهم إطلاق نبضة ضوئية قصيرة ومتحكم بها نحو باعث صغير، وهو نظام يشبه الذرة المفردة يمكن أن يوجد في حالات طاقة مختلفة. ومن خلال تشكيل النبضة وتوقيت التفاعل بعناية، يمكنهم إجبار الضوء الخارج من الباعث على التحول إلى حالة ذات وديان سالبة عميقة على خريطة ويغنر الخاصة به. وجد الباحثون أن هذه الطريقة تنتج ضوءًا بمستوى من الغرابة الكمومية أكبر بكثير مما كان ممكنًا سابقًا باستخدام تدفقات مستمرة وثابتة من الضوء. كما أظهروا أنه من خلال ضبط قوة وشكل النبضة الواردة، يمكنهم إنشاء حالات كمومية محددة وعالية التعقيد، بما في ذلك حالات تشبه فوتونًا مفردًا تم إزاحته في الفضاء، أو حتى أشكالًا أكثر غرابة تشبه تراكبًا لحالتين مختلقتين من الحالات المضغوطة.

تبدأ الدراسة بالنظر في نظام بسيط ذي مستويين، يعمل مثل مفتاح أساسي يمكن أن يكون إما "تشغيل" أو "إيقاف". عندما يتم ضرب هذا النظام بنبضة من الضوء المتسق، لاحظ الباحثون أن الضوء الخارج يمكن ضبطه ليُظهر ميزات سلبية قوية. واكتشفوا أن مقدار السلبية ليس زيادة بسيطة وثابتة مع زيادة قوة النبضة؛ بل يتذبذب في نمط معقد. وباستخدام تقنيات التحسين لإيجال المزيج المثالي من عرض النبضة وتوقيتها، حددوا إعدادًا معينًا ينتج حالة قريبة جدًا من حالة الفوتون المفرد المزاح. يعد هذا اكتشافًا مهمًا لأنه يشير إلى طريقة موثوقة لإنشاء لبنة بناء أساسية للحوسبة الكمومية دون الحاجة إلى تصفية النتائج غير المرغوب فيها. وأظهرت المحاكاة أن هذه الحالة المثلى تمتلك "حجمًا سالبًا"، وهو مقياس لمدى وجود "الغرابة الكمومية" الموجودة، وهو أكبر بخمس مرات مما تم تحقيقه في التجارب السابقة باستخدام طرق التشغيل المستمر.

ثم وسع الباحثون تحقيقاتهم لتشمل باعثات أكثر تعقيدًا، وهي أنظمة يمكنها الاحتفاظ بأكثر من مجرد مستويين من الطاقة، تشبه قرصًا بضبط متعدد بدلاً من مجرد مفتاح بسيط. ووجدوا أن تشغيل هذه الأنظمة ذات الدوران الأعلى بنبضات من الضوء أنتج نتائج أكثر دراماتيكية. ومع زيادة تعقيد الباعث، نما مقدار السلبية في الضوء الناتج بشكل كبير. وبالنسبة لنظام ذي دوران قدره ثلاثة أرباع، وصل الحجم السالب إلى مستويات تتجاوز بكثير أي طريقة حتمية أخرى معروفة حاليًا. وبدأت أشكال هذه الحالات الجديدة تشبه أنماطًا من الفوتونات المتعددة، مما يشير إلى أن هذه التقنية يمكن استخدامها لتوليد حالات ذات أعداد محددة من الجسيمات بشكل حتمي، وهي قدرة يصعب تحقيقها حاليًا.

وفي خط بحثي ثانٍ، استبدل الفريق نبضات الضوء المتسق بنبضات من "الضوء المضغوط" (Squeezed light). والضوء المضغوط هو نوع خاص من الضوء حيث يتم تقليل عدم اليقين في خاصية واحدة على حساب خاصية أخرى، مما يجعله أداة قوية للدقة. عندما قاموا بتشغيل النظام البسيط ذي المستويين باستخدام هذه النبضات المضغوطة، بدت حالات الضوء الناتجة مثل حالات "قطة شرودنجر"، وهي تراكبات لواقعين كموميين متميزين. هذه الحالات تحظى بتقدير كبير لإمكانية استخدامها في الحوسبة الكمومية المصححة للأخطاء. وكشفت المحاكاة أن الطريقة النبضية تفوقت مرة أخرى على طرق الحالة المستقرة، حيث أنتجت حالات ذات وديان سالبة أعمق بكثير. وتمكن الباحثون من ضبط الضغط وتوقيت النبضة لتحقيق أقصى قدر من هذا التأثير، ووجدوا نقطة مثالية تكون فيها الحالة المتولدة مطابقة تقريبًا لحالة "القطة المضغوطة" النظرية.

ولعل الاكتشاف الأكثر إثارة للدهشة جاء عندما طبقوا النبضات المضغوطة على باعث ذي دوران واحد (Spin-one)، وهو نظام يحتوي على ثلاثة مستويات طاقة. هنا، اتخذت الفيزياء مسارًا فريدًا. أدت التفاعلات بين الضوء المضغوط والنظام ثلاثي المستويات إلى حالة يغيب فيها مكون الفوتون المزدوج تمامًا تقريبًا. في الضوء الخارج، تم تثبيط احتمالية العثور على فوتونين بالضبط، بينما ظلت أعداد أخرى من الفوتونات موجودة. هذه الظاهرة، التي يسميها الباحثون "استبعاد الفوتون المزدوج"، تخلق نمطًا شبكيًا في الخريطة الكمومية يشبه نوعًا معينًا من أكواد تصحيح الخطأ الكمومي المعروف باسم "حالات GKP". تُعتبر هذه الحالات هي "الكأس المقدسة" لبناء حواسيب كمومية قوية لأنها يمكنها حماية المعلومات من الضجيج. وأظهرت المحاكاة أن الضوء المتولد بهذه الطريقة يتشارك درجة عالية من التشابه مع حالات GKP المثالية، مما يوفر مسارًا جديدًا محتملاً لإنشائها بشكل حتمي.

خلال عملهم، أكد الباحثون أن هذه النتائج تأتي من محاكاة عددية صارمة لنظام متتالي (Cascaded system)، حيث يتدفق الضوء من مصدر، عبر باعث، ثم إلى تجويف التقاط. لقد قاموا بنمذجة كيفية تفاعل نبضات الضوء مع الباعث وكيف يؤثر توقيت النبضات على الحالة النهائية. كما استكشفوا كيف تؤثر العيوب، مثل تسرب الضوء في الاتجاه الخاطئ أو عدم ضبط الباعث بدقة مع الضوء، على النتائج. وأظهر تحليلهم أنه بينما تقلل هذه العيوب من جودة الحالات السالبة، فإن التأثير الجوهري يظل قويًا طالما أن النظام مضبوط بشكل معقول. وتخلص الدراسة إلى أنه من خلال الانتقال من التشغيل المستمر إلى التشغيل النبضي، وباستخدام باعثات ذات مستويات طاقة مختلفة، من الممكن توليد مجموعة واسعة من حالات الضوء غير الكلاسيكية للغاية. يوفر هذا العمل مخططًا نظريًا لمصدر حتمي للضوء ذي "ويغنر السالب"، مما يقرب المجال من تحقيق عملي للتقنيات الكمومية التي تعتمد على هذه الحالات الهشة والقوية للمادة.