A hybrid quantum interferometer bridging Hong-Ou-Mandel and N00N-state interference

في عالم القياس الحديث، غالبًا ما يواجه العلماء خيارًا صعبًا بين صفتين متضادتين: الاستقرار والدقة. تخيل محاولة قياس تغير ضئيل في غرفة تهتز بعنف مقابل غرفة ساكنة تمامًا. في بيئة صاخبة وفوضوية، تكون الأداة الأكثر موثوقية هي تلك التي تتجاهل الاهتزاز تمامًا، لتعطي قراءة ثابتة حتى لو لم تكن قادرة على اكتشاف أصغر التحولات. أما في بيئة هادئة ومنضبطة، فيمكن للباحثين استخدام أدوات حساسة للغاية لأدنى حركة، قادرة على اكتشاف تغيرات أصغر بكما لو أمكن لأي معدات قياسية. لعقود من الزمن، اضطر علماء الفيزياء الكمومية للاختيار بين هذين النهجين؛ فإما أن يبنوا آلات قوية بما يكفي للعمل في الظروف الصاخبة ولكنها تفتقر إلى الحساسية الفائقة، أو يبنوا أدوات دقيقة توفر دقة مذهلة ولكنها تفشل تمامًا إذا تعرضت البيئة لأي اضطراب. هذا القصور يعني أن جهازًا واحدًا لا يمكنه التكيف مع الواقع المتغير للعالم، حيث تتقلب مستويات الضجيج بشكل غير متوقع.

لقد تمكن فريق من الباحثين الآن من بناء جهاز كمومي واحد يحل هذه المشكلة عبر دمج هاتين القدرتين اللتين كانتا منفصلتين سابقًا في نظام واحد مرن. وفي دراسة نُشرت مؤخرًا، يمكن لهذا "المتداخل الهجين" (hybrid interferometer) الجديد أن ينتقل بين كونه أداة متينة مقاومة للضجيج وبين كونه أداة دقة فائقة الحساسية، أو حتى يعمل كمزيج من كليهما، وذلك ببساطة عن طريق ضبط توقيت نبضات الضوء داخل الآلة. حقق الباحثون ذلك من خلال إنشاء إعداد يمكن فيه لنوعين متميزين من التداخل الكمومي — النوع الذي يتجاهل تغيرات الطور والنوع الذي يضخمها — أن يتعايشا ويتم التحكم فيهما ديناميكيًا. ومن خلال ضبط تأخيرين زمنيين محددين في مسار الضوء بعناقة، يمكن جعل الجهاز يعمل كمستشعر قوي في حالات الضجيج العالي أو ككاشف فائق الحساسية في البيئات منخفضة الضجيج، وكل ذلك ضمن نفس العتاد الفيزيائي.

يكمن جوهر هذا الإنجاز في كيفية تلاعب الباحثين بأزواج من جسيمات الضوء، المعروفة باسم الفوتونات، الناتجة عن بلورة خاصة. عندما يتم إنشاء هذه الفوتونات، تكون مرتبطة بطريقة تعتمد فيها سلوكياتها على كيفية تفاعلها مع المرايا ومقسمات الأشعة. صمم الفريق جهازًا تنتقل عبره هذه الفوتونات من خلال سلسلة من المكونات البصرية، بما في ذلك بلورة تقسم ضوء الليزر إلى أزواج، ونظامي تأخير قابلين للضبط. تعمل أنظمة التأخير هذه مثل ساعات توقيت دقيقة للضوء، مما يسمح للباحثين بتأخير جزء من رحلة الفوتون بالنسبة لآخر بأجزاء ضئيلة من الثانية. ويعمل التأخير الأول، الذي يتحكم فيه مرحلي آلي، والتأخير الثاني، الذي يتحكم فيه محرك ومشغل كهرضغطية (piezoelectric actuator) يتحرك بدقة مجهرية، كأدوات ضبط لضبط سلوك الآلة.

عندما ضبط الباحثون التأخير الأول على الصفر، تصل الفوتونات إلى الكواشف بشكل متزامن تمامًا، مما يخلق نمطًا يُعرف باسم تداخل حالة "N00N". يتميز هذا النمط بتذبذبات سريعة وعالية التردد، وهي حساسة للغاية لتغيرات طول المسار، مما يوفر إمكانية إجراء قياسات عند الحد الأقص حد الذي تسمح به الفيزياء. ومع ذلك، تأتي هذه الحساسية بتكلفة: فإذا كانت البيئة صاخبة، يتلاشى هذا النمط الدقيق وتفشل عملية القياس. وعلى العكس من ذلك، عندما أدخل الباحثون تأخيرًا محددًا بين المسارين، أطلقوا ظاهرة مختلفة تسمى تداخل "هونغ-أو-مندل" (Hong-Ou-Mandel). في هذا النمط، تتجمع الفوتونات معًا بطريقة تجعلها محصنة تمامًا ضد ضجيج الطور، مما يوفر إشارة مستقرة وقوية لا تبالي بالاضطرابات البيئية، رغم أنها تفتقر إلى الحساسية القصوى للنمط الأول.

ويتمثل الاختراق في هذه الدراسة في إثبات أن هذين النمطين ليسا متنافيين. فمن خلال ضبط التأخيرات، أظهر الفريق أن الجهاز يمكنه الانتقال بسلاسة من نمط إلى آخر، أو الاستقرار في حالة هجينة تظهر فيها السلوكان معًا. وفي تجاربهم، استخدموا ليزر بطول موجي قدره 775 نانومتر لضخ بلورة مصنوعة من فوسفات تيتانيل البوتاسيوم، مما ولد أزواجًا من الفوتونات التي أُرسلت بعد ذلك عبر المتداخل المصمم خصيصًا. وقاموا بقياس أوقات وصول هذه الفوتونات باستخدام كواشف فائقة التوصيل قادرة على عد الجسيمات الفردية. وأكدت النتائج أنه من خلال ضبط التأخير الأول على الصفر ومسح التأخير الثاني، لاحظوا التذبذبات السريعة لتداخل حالة "N00N". وعندما ضبطوا التأخير الأول على قيمة غير صفرية، مثل 2 بيكوثانية، ظلت التذبذبات السريعة موجودة في الخلفية، لكن ظهرت انخفاضات متميزة في البيانات، مما يشير إلى وجود تداخل "هونغ-أو-مندل" القوي.

كما استكشف الباحثون ما يحدث عند تثبيت التأخير الثاني وتغيير الأول. فعندما تم ضبط التأخير الثاني عند نقطة يكون فيها تداخل حالة "N00N" في ذروته، كان النظام حساسًا جدًا للطور ولكنه لم يظهر أي علامة على انخفاضات التداخل القوية. ومع ذلك، عندما عدلوا التأخير الثاني إلى قيمة مختلفة، أصبح النظام حساسًا لمعلومات المسار، وظهر انخفاض واضح أثناء مسح التأخير الأول، مما يشير إلى ظهور السلوك المقاوم للضجيج. وفي بعض التكوينات، انقسم الانخفاض الواحد إلى اثنين، مما كشف أن الفوتونات كانت تسلك مسارين متميزين ومنفصلين زمنيًا يمكن تمييزهما بشكل فردي. وقد طابقت هذه الملاحظات التجريبية المحاكاة الحاسوبية التي أجراها الفريق مسبقًا، والتي تنبأت بدقة بكيفية تغير حسابات المصادفة مع تعديل التأخيرات.

يسلط البحث الضوء على أن هذه المرونة ليست مجرد إمكانية نظرية بل هي واقع عملي. فقد قاس الفريق "الوضوح" (visibility)، وهو مقي-س لمدى نقاء أنماط التداخل، ووجدوا أنه بينما جعلت العوامل البيئية مثل الاهتزازات من الصعب الحفاظ على استقرار مثالي لفترات طويلة، فإن القدرة الأساسية على التبديل بين الأنماط كانت لا تقبل الجدل. وحتى مع وجود بعض القيود التقنية في الحفاظ على ضبط مثالي لنقاط التداخل، نجح الجهاز في إظهار التحكم الديناميكي في التداخل الكمومي. وهذا يعني أنه في المستقبل، يمكن نشر مستشعر كمومي واحد في بيئة تتغير فيها مستويات الضجيج، بحيث يقوم بتعديل توقيته الداخلي تلقائيًا ليبقى إما قويًا ضد الضجيج أو حساسًا بما يكفي لاكتشاف الإشارات الدقيقة، اعتمادًا على ما تتطلبه الحالة.

يمثل هذا العمل خطوة مهمة نحو التقنيات الكمومية المتكاملة التي يمكنها العمل بفعالية في بيئات متنوعة ومتقلبة. ومن خلال إثبات أن جهازًا واحدًا يمكنه تجسيد نقاط القوة لكل من تقنيات القياس المقاومة للضجيج وفائقة الحساسية، فتح الباحثون مسارًا لمستشعرات كمومية لا تتقيد بظروف محيطها. إن القدرة على ضبط سلوك الآلة أثناء التشغيل تشير إلى أن الأدوات الكمومية المستقبلية يمكن تصميمها لتتكيف مع العالم الحقيقي، بدلاً من اشتراط أن يكون العالم الحقيقي مثاليًا ليتناسب مع الأداة. وتؤكد النتائج أن التفاعل المعقد بين أنواع التداخل الكمومي المختلفة يمكن تسخيره لإنشاء أدوات استشعار متعددة الاستخدامات، مما يمهد الطريق لتقنيات أكثر قوة وتكيفًا في مجالات تتراوح من التصوير البيولوجي إلى اكتشاف موجات الجاذبية.