Occupation-selective photon-pair interactions in a flux-pumped SQUID resonator

في عالم الحوسبة الكمومية الهادئ وشديد البرودة، غالبًا ما يتطلع العلماء إلى الضوء المحبوس داخل دوائر كهربائية صغيرة لتخزين المعلومات. تعمل هذه الدوائر كغرف عالية الجودة حيث يمكن لفوتونات الميكروويف (التي هي جسيمات الضوء عند ترددات الراديو) أن ترتد لفترة طويلة دون أن تتلاشى. ولأن هذه الغرف جيدة جدًا في الاحتفاظ بالطاقة، فإنها توفر مساحة شاسعة لتخزين بيانات معقدة، وهي أكبر بكثير مما يمكن لمفاتيح التبديل البسيطة ذات الحالتين استيعابه. ومع ذلك، لجعل هذه البيانات مفيدة، يجب على الباحثين أن يكونوا قادرين على التحكم فيها بدقة؛ فهم بحاجة إلى إجراء عمليات محددة على الضوء دون إزعاج بقية النظام. لسنوات، اعتمدت الطريقة القياسية للقيام بذلك على تغيير حدة (نبرة) الضوء بناءً على عدد الجسيمات الموجودة، وهو أمر يشبه إلى حد ما تغير نغمة وتر الجيتار عند الضغط عليه. لكن هذه الطريقة لها حدود؛ فهي تعامل الضوء ككائن سلبي يغير تردده فقط، بدلاً من كونه شيئًا يمكنه تغيير مدى قوة تفاعله مع بقية الآلة بشكل نشط.

لقد اكتشف فريق من الباحثين الآن طريقة للذهاب إلى أعمق من ذلك بكثير، حيث وجدوا طريقة يكون فيها عدد الجسيمات في جزء واحد من الدائرة يتحكم مباشرة في مدى قوة حدوث تفاعل معين في جزء آخر، دون تغيير عدد الجسيمات في الجزء الأول. تخيل موسيقيًا يعزف نوتة على بيانو بينما يمسك موسيقي ثانٍ يجلس بالقرب منه بمفتاح واحد. في هذا الإعداد الجديد، لا يغير فعل الموسيقي الثاني نبرة النوتة الأولى فحسب؛ بل يغير فعليًا مدى قوة أو خفوت عزف الموسيقي الأول لنوتة معينة. هذا ليس مجرد تحول طفيف في النغمة؛ إنه تغيير جوهري في قوة الاتصال بين الاثنين. وباستخدام حلقة فائقة التوصيل خاصة تسمى "SQUID"، والتي تعمل كجسر قابل للضبط للكهرباء، صاغ الباحثون نموذجًا لنظام حيث يتحكم وجود الفوتونات في وضع "التحكم" (controller) في إعادة تشكيل قواعد الاشتباك لوضع "الإشارة" (signal).

حلل الباحثون دائرة تشترك فيها وضعيتان مختلفتان من الاهتزاز الكهربائي في نفس الجسر الفيزيائي. قاموا بضخ إشارة مغناطيسية إيقاعية في هذا الجسر، وهي تقنية تُعرف باسم "الضخ التدفقي" (flux pumping)، وهي مصمم لإنشاء أزواج من الفوتونات في وضع الإشارة. عادةً، عندما يريد العلماء التحكم في مثل هذه العملية، فإنهم يعتمدون على حقيقة أن وجود جسيمات أخرى يزيح تردد التفاعل. إذا كان وضع التحكم يحتوي على صفر من الجسيمات، فإن الإشارة ترنين عند تردد واحد؛ وإذا كان يحتوي على جسدان، فإنها ترنين عند تردد آخر. هذا تأثير معروف يسمى "إزاحة كير المتقاطعة" (cross-Kerr shift). ومع ذلك، وجد الفريق أن إزاحة التردد هذه لم تكن سوى نصف القصة؛ فبعد أن قاموا بضبط النظام بعناية بحيث تكون الإشارة في حالة رنين مثالية لكل عدد مختلف من جسيمات التحكم، ظلت قوة التفاعل — أي حجم الفجوة بين مستويات الطاقة — تتغير اعتمادًا على عدد الجسيمات في وضع التحكم.

لفهم هذا، توجب على الباحثين النظر في الرياضيات الخام للحلقة فائقة التوصيل، والتي تسلك سلوك موجة يمكن وصفها بدالة جيب التمام (cosine function). وعندما حسبوا الاحتمال الدقيق لإنشاء زوج من الفوتونات في وضع الإشارة مع ترك وضع التحكم دون تغيير، وجدوا أن عدد جسيمات التحكم يظهر مباشرة في الصيغة الرياضية. وكأن وضع التحكم يهمس بسر للتفاعل، مغيرًا حجمه دون أن ينطق بكلمة واحدة بنفسه. ينشأ هذا التأثير لأن التقلبات الكمومية لوضع التحكم موجودة فيزيائيًا في نفس العنصر غير الخطي الذي يوجد فيه وضع الإشارة. ورغم عدم تبادل أي طاقة بينهما خلال الانتقال المحدد، إلا أن مجرد وجود جسيمات التحكم يعدل المشهد الذي تسلك من خلاله الإشارة طريقها.

تحقق الفريق من هذا الاكتشاف من خلال مزيج من النمذجة الرياضية المتقدمة والمحاكاة العددية عالية الدقة. وقارنوا نظرياتهم المبسطة بمحاكاة كاملة غير موسعة للدائرة، والتي تعمل كمرجع مثالي. وأظهرت النتائج أن قوة التفاعل تختلف بشكل كبير عبر الحالات المختلفة لوضع التحكم. فعلى سبيل المثال، عندما كان وضع التحكم فارغًا، كان للتفاعل قوة معينة؛ وعندما كان يحتوي على جسيم واحد، انخفضت القوة بشكل ملحوظ. لم يكن هذا التباين ناتجًا عن إزاحة التردد؛ بل كان خاصية متميزة وملموسة للتفاعل نفسه. ومن خلال رسم خرائط لهذه التغييرات، أنشأ الباحثون مشهدًا ثنائي الأبعاد حيث يمكن التحكم في كل من حدة وحجم التفاعل بشكل مستقل بواسطة حالة وضع التحكم.

يفتح هذا التحكم آفاقًا جديدة لكيفية معالجة المعلومات الكمومية. نظرًا لأن قوة التفاعل تعتمد على حالة وضع التحكم، فقد تمكن الباحثون من توجيه انتقال محدد داخل وضع الإشارة مع تجاهل الانتقالات الأخرى. وقد أظهروا أنه من خلال ضبط تردد الضخ إلى نقطة معينة، يمكنهم نقل الإشارة من امتلاك جسيمين إلى أربعة جسيمات بدقة عالية، مع ترك التحولات المحتملة الأخرى دون مساس. هذه الانتقائية أمر بالغ الأهمية لبناء ذاكرات كمومية معقدة، حيث يحتاج المرء إلى معالجة قطعة واحدة من البيانات دون إزعاج جيرانها عن طريق الخطأ. ووجد الباحثون أنه يمكنهم المقايضة بين السرعة والدقة؛ فمن خلال استخدام ضخ أضعف، يمكنهم جعل الاختيار أكثر حدة، وإن كان ذلك سيستغرق وقتًا أطول لإتمام العملية.

بعيدًا عن الاختيار البسيط، استكشف الباحثون ما يحدث عندما يوضع وضع التحكم في حالة "تراكب كمومي" (superposition)، وهي حالة يحمل فيها الوضع فعليًا عددين مختلفين من الجسيمات في آن واحد. في هذا السيناريو، لا يتبع وضع الإشارة مسارًا واحدًا فحسب، بل يتبع مسارين مختلفين في وقت واحد، يملي كل منهما حالة وضع التحكم. ولأن قوة التفاعل والرنين مختلفان لكل مسار، فإن الإشارة تتطور بطريتين مختلفتين في الوقت نفسه. وهذا يخلق اتصالًا عميقًا، أو "تشابكًا"، بين وضع التحكم ووضع الإشارة. وقد حسب الباحثون أن هذه العملية يمكن أن تولد ما يقرب من وحدة كاملة من التشابك، وهي كمية كبيرة للأنظمة الكمومية، مما يربط حالة وضع التحكم بحالة وضع الإشارة بطريقة لا يمكن وصفها بالفيزياء الكلاسيكية.

علاوة على ذلك، أظهر الفريق أنه يمكن استخدام هذه الآلية لإنشاء حالات كمومية معقدة وغير معتادة. فعندما يتم دفع وضع الإشارة في قطاع محدد من وضع التحكم، فإنه يتسلق سلمًا من مستويات الطاقة بطريقة تشوه شكله، مما يخلق مناطق ذات احتمالية سالبة في خريطته الكمومية. هذه المناطق "السالبة" هي سمة من سمات السلوك الكمومي الحقيقي الذي لا يمكن محاكاته بواسطة الموجات البسيطة. ووجد الباحثون أنه من خلال اختيار وضع التحكم المناسب، يمكنهم دفع الإشارة إلى هذا النظام غير الكلاسيكي للغاية، بينما تظل الإشارات في حالات وضع التحكم الأخرى غير متأثرة تمامًا تقريبًا. وتوفر هذه القدرة على تشغيل الديناميكيات الكمومية المعقدة باستخدام مفتاح بسيط لوضع التحكم أداة قوية لتوليد الحالات الغريبة اللازمة لتصحيح الخطأ الكمومي والاستشعار المتقدم.

لم تكن النتائج نظرية فحسب؛ بل قدم الباحثون خارطة طريق واضحة لكيفية بناء ذلك في مختبر حقيقي. فقد حددوا الظروف المحددة المطلوبة لعزل هذا التأثير عن الإشارات الضوضائية الأخرى التي قد تتداخل في دائرة حقيقية. ومن خلال ضمان أن ترددات الأنماط الأخرى غير المرغوب فيها بعيدة بما يكفي عن إشارة الضخ، يمكن جعل التفاعل المطلوب يبرز بوضوح. وأكد الفريق أن المكونات اللازمة، مثل الحلقات فائقة التوصيل والقدرة على ضبطها باستخدام المجالات المغناطيسية، متوفرة بالفعل في أجهزة الحوسبة الكمومية الحديثة. وهذا يعني أن التفاعل المتحكم فيه عبر الإشغال ليس حلمًا بعيد المنال، بل هو ميزة يمكن هندستها في الأجهزة الحالية.

في النهاية، يكشف هذا العمل عن طبقة جديدة من التحكم في العالم الكمومي. فهو يظهر أن حالة جزء من النظام يمكن أن تفعل أكثر من مجرد تغيير تردد جزء آخر؛ بل يمكنها تغيير قوة اتصالهما بشكل جوهري. يتجاوز هذا الاكتشاف فكرة ضبط التردد البسيط ويقدم طريقة يكون فيها جوهر التفاعل مشروطًا بالحالة الكمومية لشريكه. ومن خلال إتقان هذه الديناميكيات المشروطة، يمكن للعلماء بناء آلات كمومية أكثر دقة وانتقائية وقوة، قادرة على التحكم في الضوء بطرق كانت تُعتبر في السابق مستحيلة. إن القدرة على توليد التشابك والحالات الكمومية المعقدة عند الطلب، ببساطة عن طريق إعداد وضع التحكم في الحالة الصحيحة، تمثل خطوة كبيرة للأمام في الهندسة العملية للتقنيات الكمومية.