Nonlinear engineering of Hong-Ou-Mandel interference with structured light

غالبًا ما يُنظر إلى الضوء على أنه تيار من الجسيمات الصغيرة والمستقلة، ولكن في العالم الكمومي، يمكن للفوتونات أن تتصرف بوحدة مذهلة. فعندما يصل فوتونان متطابقان إلى مرآة خاصة تسمى "مقسم الشعاع" (beam splitter) في الوقت نفسه تمامًا، فإنهما لا يرتدان ببساوٍ في اتجاهات عشوائية، بل يميلان إلى الالتصاق ببعضهما البعض، والخروج من الجهاز عبر المنفذ نفسه. هذه الظاهرة، المعروفة باسم تأثير "هونغ-أو-ماندل" (Hong-Ou-Mandel effect)، هي سمة مميزة لميكانيكا الكم؛ وهي تعتمد كليًا على حقيقة أن الفوتونين غير قابلان للتمييز؛ فإذا كانا متطابقين في كل شيء، فإنهما يعملان كوحدة واحدة. ومع ذلك، إذا اختلف الفوتونان في بنيتهما الداخلية أو تناظرهما، فإن هذه الوحدة تنكسر، وقد ينفصلان، ليخرجا عبر منافذ مختلفة. هذا التوازن الدقيق بين الالتصاق والانفصال ليس مجرد فضول علمي، بل يعمل كأداة قوية لقياس خصائص الضوء والمادة بدقة متناهية، مما يفتح نافذة على الطبيعة الجوهرية للواقع.

وقد دفع باحثون في المعهد الوطني للبحث العلمي (INRS) في كندا هذا المفهوم إلى الأمام الآن من خلال هندسة شكل الضوء المستخدم لإنشاء أزواج الفوتونات هذه. ففي عملهم، استكشفوا كيف تؤثر تناظر شعاع الليزر على سلوك الفوتونات التي يولدها. عادةً ما يتحكم العلماء في التفاعل بين الفوتونات عن طريق ضبط أوقات وصولها أو تصفية ألوانها، لكن الفريق في هذه الدراسة اتبع نهجًا مختلفًا: لقد قاموا بتشكيل شعاع الليزر نفسه قبل دخوله إلى بلورة تقوم بتقسيمه إلى أزواج من الفوتونات. وباستخدام جهاز يسمى "معدل الضوء المكاني" (spatial light modulator)، تمكنوا من لوي وتدوير نمط الشعاع، مما أدى فعليًا إلى تدوير "شكل" الضوء. واكتشفوا أن الطريقة التي تدور بها هذه الأشعة المشكلة تحدد ما إذا كانت الفوتونات الناتلة ستتجمع معًا أم ستنفصل، مما يخلق نمط تداخل فريدًا يعمل كبصمة للشكل المحدد للضوء.

ركز الفريق على عائلتين محددتين من أنماط الضوء، تُعرفان بأنماط "هيرميت-غاوص" (Hermite-Gaussian) و"لاغير-غاوص" (Laguerre-Gaussian). هذه ليست مجوعات ضوئية بسيطة ومستديرة، بل هي هياكل معقدة ذات أشكال متميزة، مثل المستطيلات ذات الأعداد المتفاوتة من النطاقات المظلمة والمضيئة، أو الحلزونات ذات المركز المظلم. وعندما ضخ الباحثون شعاع "هيرميت-غاوص" في البلورة وقاموا بتدويره ببطء، لاحظوا انتقالًا رائعًا؛ فمع دوران الشعاع، تتحول الفوتونات من الالتصاق معًا إلى الانفصال، ثم تعود مرة أخرى. واعتمدت سرعة وحدة حدة هذا التحول كليًا على تعقيد شكل الشعاع. فبالنسبة للأشعة الأبسط، كان الانتقال تدريجيًا، ولكن مع زيادة تعقيد النمط، وإضافة المزيد من النطاقات ومراتب الهيكل الأعلى، أصبح الانتقال حادًا للغاية. حيث تظل الفوتونات متجمعة لمعظم فترة الدوران، ثم تنتقل فجأة إلى حالة الانفصال عبر زاوية ضئيلة جدًا. وهذا يشير إلى أنه باستخدام أنماط ضوئية أكثر تعقيدًا، يمكن بناء مستشعرات حساسة للغاية لأدنى التغييرات في الدوران.

وفي تجربة موازية، بحث الفريق في الأشعة التي تحمل حركة لولبية، تُعرف باسم "الزخم الزاوي المداري" (orbital angular momentum). هذه الأشعة، عند دمجها بطريقة محددة لتكوين ما يسمى بـ "أنماط البتلات" (petal modes)، أنتجت نوعًا مختلفًا من الإشارات. فبدلاً من التحول الحاد، تذبذب نمط التداخل مثل الموجة أثناء دوران الشعاع. ومن الأهمية بمكان أن تردد هذه الموجة يزداد بالتناسب المباشر مع مقدار "الالتواء" في الضوء. فالشعاع الذي يحتوي على قدر أكبر من الالتواء جعل نمط التداخل يمر عبر ذرواته وقيعانه عددًا أكبر من المرات ضمن نفس الدورة. هذا السلوك يحاكي أداء نوع شهير من الحالات الكمومية المعروف باسم "حالة NOON"، المشهورة بقدرتها على تعزيز دقة القياس. ووجد الباحثون أنه من خلال زيادة الالتواء في ضوئهم، يمكنهم فعليًا مضاعفة قدرتهم على اكتشاف الدوران، وتحقيق مستوى من الحساسية يتناسب مع تعقيد بنية الضوء.

تضمن الإعداد التجريبي ليزرًا مستمر الموجة يعمل بطول موجي قدره 405 نانومتر، تم تشكيله ثم توجيهه إلى بلورة مصنوعة من "بيتا-باريوم بورات" (beta-barium borate). أنتجت هذه العملية أزواجًا من الفوتونات بطول موجي 810 نانومتر، والتي تم توجيهها عبر سلسلة من العدسات والمرشحات قبل أن تلتقي عند مقسم الشعاع. وقام الباحثون بقياس "التزامن" (coincidence) لهذه الفوتونات بعناية —أي حساب عدد المرات التي تصل فيها في وقت واحد إلى الكواشف— بينما كانوا يدورون شعاع الضخ بخطوات قدرها خمس درجات. ولاحظوا أنه بالنسبة لأنماط "هيرمิต-غاوص"، أصبح الانتقال من التجمع (bunching) إلى عدم التجمع (anti-bunching) أكثر حدة مع زيادة رتبة النمط، حيث أظهرت الرتب الأعلى هضبة متميزة في الإشارة. أما بالنسبة لأنماط بتلات "لاغير-غاوث"، فقد أكدوا أن تردد تذبذب الإشارة يزداد خطيًا مع شحنة الزخم الزاوي المداري، ليصل إلى ست دورات لأعلى رتبة اختبروها.

وكان أحد النتائج غير المتوقعة في الدراسة هو استخدام الألياف الضوئية متعددة الأنماط لجمع الفوتونات في نهاية التجربة. عادةً ما يستخدم العلماء أليافًا أحادية النمط لضمان اكتشاف شكل ضوئي محدد وبسيط، مما يعظم وضوح التداخل. ومع ذلك، فإن قوانين الحفظ التي تحكم توليد أزواج الفوتونات هذه تعني أن شعاع الضخ عالي الرتبة لا يمكن أن ينتج زوجًا من الفوتونات البسيطة والمستديرة التي قد تتناسب مع ليف أحادي النمط. وبدلاً من ذلك، اضطر الفريق إلى استخدام ألياف متعددة الأنماط، والتي تقبل مجموعة متنوعة من الأشكال. ورغم ذلك، فقد رصدوا تداخلًا عالي التباين، حيث تجاوزت قياسات الوضوح (visibility) نسبة 70 في المائة في كثير من الحالات. وقد أثبت هذا أن التداخل الكمومي قوي بما يكفي للبقاء حتى عندما لا يتم ترشيح الفوتونات لتصبح في شكل واحد بسيط.

تمتد تداعيات هذا العمل إلى ما وراء التجربة المباشرة. إن القدرة على التحكم في تناظر أزواج الفوتونات من خلال شكل شعاع الضخ تفتح آفاقًا جديدة للاستشعار الكمومي. وتشير التحولات الحادة التي لوحظت في تجارب "هيرميت-غاوص" إلى مسار نحو بناء مستشعرات دوران أكثر حساسية مما تسمح به التكنولوجيا الحالية. وبالمثل، فإن تدرج التردد الذي لوحظ في تجارب "لاغير-غاوث" يشير إلى طريقة لتعزيز دقة القياس الزاوي دون الحاجة إلى حالات متشابكة معقدة. وأشار الباحثون إلى أن هذا التحكم الرقمي في نمط التداخل يمكن أن يعمل في النهاية كطبقة فيزيائية للحوسبة، حيث يقوم شكل الضوء نفسه بإجراء العمليات المنطقية. ومن خلال إتقان هندسة الضوء، أظهر الفريق أن قواعد التداخل الكمومي يمكن إعادة كتابتها، مما يحول الفعل البسيط المتمثل في تدوير الشعاع إلى أداة قوية للقياس ومعالجة المعلومات.