Time-Bin Properties of Photon Pairs from a 2GHz Waveguide Resonator

قد يعتمد مستقبل الإنترنت على نوع جديد من الاتصال، لا يعتمد على الإشارات الكهربائية أو نبضات الضوء القياسية، بل على السلوك الدقيق لجسيمات الضوء الفردية. يعمل العلماء على بناء شبكات يمكنها نقل المعلومات بأمان تام وسرعة غير مسبوقة، باستخدام القواعد الغريبة للفيزياء الكمومية. ويتطلب أحد المتطلبات الأساسية لهذه الشبكات القدرة على إنشاء أزواج من جسيمات الضوء المرتبطة ببعضها بشكل لا ينفصم، بحيث يؤثر ما يحدث لأحدها فوراً على الآخر، بغض النظر عن المسافة بينهما. ولجعل هذا الأمر يعمل في العالم الحقيقي، يجب أن تسافر هذه الجسيمات عبر ألياف زجاجية قياسية، مما يعني أنها بحاجة إلى ضبطها على ألوان محددة من الضوء تمر عبر المادة بأقل قدر من الفقد. علاوة على ذلك، تحتاج الشبكة إلى التعامل مع هذه الجسيمات في دفعات زمنية قصيرة بدلاً من تدفق مستمر، مما يسمح للأجزاء المختلفة من النظام بمزامنة أفعالها. ويكمن التحدي في إنشاء مصدر ينتج هذه الأزواج المرتبطة بشكل موثوق، بنطاق ألوان محدد وضيق جداً، مع الحفاظ على دقة توقيت وصولها لتكون مفيدة للحسابات المعقدة.

في مختبر في مدينة أولم بألمانيا، حقق الباحثان ستيفان كايمايرر وكايسا لايهو خطوة مهمة نحو حل هذا اللغز من خلال دراسة كيفية سلوك هذه الجسيمات الضوئية المرتبطة عندما تولد داخل تجويف صغير متخصص. وقد استخدما جهازاً مصنوعاً من بلورة تسمى نيوبات الليثيوم، والتي تم هندستها بأنماط مجهرية للمساعدة في توليد أزواج من الجسيمات من شعاع ليزر واحد. تم تشكيل هذه البلورة على هيئة قناة ضيقة، أو دليل موجي، مع وجود مرايا عند كلا الطرفين لحجز الضوء وإنشاء مرنان. وعندما تدخل نبضة قصيرة من ضوء الليزر إلى هذه القناة، فإنها تنقسم إلى جسيمين جديدين، يُعرفان باسم "الإشارة" و"الخامل"، وهما متطابقان تماماً في الطاقة ومحصوران داخل المرنان. ركز الباحثون على نسخة من هذا الجهاز تنتج ضوءاً بعرض نطاق يبلغ حوالي 2 جيجاهرتز، وهو نطاق ضيق بما يكفي ليكون متوافقاً مع أنظمة الذاكرة الكمومية المستقبلية، ولكنه سريع بما يكفي للعمل في وضع النبضات.

سعى الفريق لفهم الشكل الدقيق والمدة الزمنية للفترات التي تصل فيها هذه الجسيمات. وفي عالم الشبكات الكمومية، تُسمى هذه الفترات "الحاويات الزمنية"، ويحدد طولها مدى سرعة إرسال المعلومات ومدى جودة بقاء الأجزاء المختلفة من الشبكة في حالة تزامن. وللتحقيق في ذلك، أكد الباحثون أولاً أن جهازهم ينتج بالفعل الأزواج المرتبطة التي توقعوها. فقد قاموا بقياس العلاقة بين جسيمات الإشارة والخامل ووجدوا اتصالاً قوياً، مما أثبت أن الجسيمات يتم إنشاؤها معاً في أزواج بدلاً من ظهورها بشكل عشوائي. كان هذا التأكيد حاسماً، لأنه أثبت أن مصدرهم يعمل بشكل صحيح قبل أن يبدأوا في فحص التفاصيل الدقيقة للجسيمات.

بعد ذلك، درس العلماء توقيت الجسيمات تحت ظرفين مختلفين. أولاً، سمحوا للجهاز بإصدار الضوء عبر العديد من الترددات الرنينية المختلفة في وقت واحد، وهي حالة تُعرف باسم حالة "تعدد الأنماط". في هذا السيناريو، أظهرت أوقات وصول الجسيمات نمطاً معقداً ذا تموجات، يشبه أنماط التداخل التي تُرى عند تقاطع الأمواج في بركة ماء. كانت هذه التموجات ناتجة عن تداخل الترددات المختلفة للضوء مع بعضها البعض. ومع ذلك، عندما استخدم الباحثون مرشحاً (فلتر) لاختيار تردد واحد فقط، أو نمط رنين واحد، اختفت التموجات. وتبسط نمط التوقيت ليصبح اضمحلالاً تدريجياً ناعماً وثابتاً، مما أظهر أن الجسيمات تصل في تدفق أكثر قابلية للتنبؤ والانتظام. أكد هذا التغيير أن الأنماط المعقدة التي شوهدت سابقاً كانت بالفعل نتيجة اختلاط ترددات متعددة، وأن عزل تردد واحد يخلق إشارة أنظف وأكثر قابلية للاستخدام.

ولعل الاكتشاف الأكثر إثارة للدهشة هو أن الجسيمين في كل زوج لم يتصرفا بنفس الطريقة تماماً، رغم أنهما خُلقا معاً. فقد وجد الباحثون أن جسيم الإشارة استمر لفترة زمنية أطول، بمدة بلغت حوالي 0.94 نانو ثانية، بينما تلاشى شريكه، الجسيم الخامل، بسرعة أكبر، في 0.23 نانو ثانية فقط. لم يكن هذا الاختلاف خطأً أو عيباً في المعدات، بل كان خاصية جوهرية للجهاز. فقد تعاملت القناة البلورية مع الجسيمين بشكل مختلف لأن استقطابهما كان في اتجاهات مختلفة، مما يعني أن موجاتهما الضوئية كانت موجهة بشكل مختلف بالنسبة لبنية البلورة. تسبب هذا الاختلاف في التوجيه في تعرضهما لمقاد lượng مختلف من الفقد أثناء رحلتهما عبر الجهاز، وهو ما حدد مدة بقائهما. تمكن الباحثون من محاكاة هذا السلوك على جهاز كمبيوتر، وطابقت نماذجهم النتائج التجريبية تماماً، مما أكد أن الفرق في التوقيت كان ناتجاً مباشرة عن الفرق في كيفية تفاعل البلورة مع كل جسيم.

تقدم هذه النتائج خارطة طريق واضحة لبناء شبكات كمومية أفضل. فمن خلال فهم كيفية تأثير الخصائص الفيزيائية لمصدر الضوء على توقيت الجسيمات، يمكن للمهندسين الآن تصميم أجهزة تنتج ضوءاً بالمدة المطلوبة تماماً لتطبيقات محددة. إن القدرة على التنبؤ والتحكم في هذه الحاويات الزمنية أمر ضروري لربط الأجزاء المختلفة من الشبكة الكمومية، مما يضمن وصول المعلومات في اللحظة المناسبة للمعالجة أو التخزين. يوضح هذا العمل أنه حتى في نظام معقد مثل مصدر الضوء الكمومي، يمكن فهم سلوك الجسيمات والتحكم فيه من خلال إدارة البيئة الفيزيائية التي تُخلق فيها بعناية. ومع انتقال هذا المجال نحو التطبيقات العملية، سيكون هذا النوع من التحكم الدقيق في توقيت وشكل نبضات الضوء حيوياً لتحويل الوعد النظري للشبكات الكمومية إلى واقع عملي.