Pure dephasing destroys two-photon amplitude, not nonlinear phase

في السعي لبناء نوع جديد من الحواسيب التي تستخدم الضوء بدلاً من الكهرباء، يبحث العلماء عن طرق لجعل الفوتونات الفردية، أو جسيمات الضوء، تتفاعل مع بعضها البعض. في الحالة العادية، تمر حزم الضوء عبر بعضها البعض دون تفاعل، مثل سيارتين تسيران على طرق سريعة متوازية. ومع ذلك، لبناء معالج، يحتاج الباحثون إلى أن تؤثر هذه الجسيمات الضوئية على بعضها البعض، مما يخلق مفتاحاً يمكنه تشغيل أو إيقاف إشارة ما بناءً على وجود إشارة أخرى. ومن الطرق الواعدة لتحقيق ذلك هو استخدام ذرة اصطناعية صغيرة، تُعرف باسم الباعث الكمي، موضوعة داخل قناة مجهرية توجه الضوء. عندما يصطدم فوتون واحد بهذا الباعث، يمكن امتصاصه وإعادة انبعاثه، ولكن مع تحول جوهري: حيث تنقلب موجة الضوء في شكلها، مما يحول القمة الموجبة فعلياً إلى قمة سالبة. هذا الانقلاب هو تغيير محدد في طور (phase) الضوء، وهي خاصية تحدد كيفية اصطفاف الموجات مع بعضها البعض. إذا نجح هذا النظام بشكل مثالي، فقد يعمل كحجر أساس للشبكات الكمومية، مما يسمح بإجراء حسابات معقدة باستخدام الضوء.

التحدي يكمن في أن العالم الحقيقي فوضوي. فالذرات الاصطناعية المستخدمة في هذه التجارب هي أجهزة صلبة، مما يعني أنها مصنوعة من مواد في حالة اهتزاز وتذبذب مستمر بسبب بيئتها. تسبب هذه الاهتزازات فقدان الذرة لإيقاعها الداخلي، وهي عملية يسميها العلماء "إلغاء الطور النقي" (pure dephasing). لسنوات، افترض المنظرون أن هذا الفقد في الإيقاع سيؤدي ببساطة إلى تشويش قلب الطور الدقيق، مما يجعل المفتاح أقل فعالية أو يغير زاوية القلب. كان القلق السائد هو أنه كلما أصبحت البيئة أكثر ضجيجاً، فإن التوقيت الدقيق لموجة الضوء سينحرف، مما يؤدي إلى إفساد بوابة المنطق. كان هذا عدم اليقين عائقاً رئيسياً أمام تصميم شبكات كمومية موثوقة، حيث يحتاج المهندسون إلى معرفة ما إذا كانت هذه المكونات ستصمد في ظل الظروف الواقعية.

لقد حسم فريق من الباحثين في جامعة كوينز هذه المسألة الآن من خلال تحقيق نظري دقيق. فقد قاموا بحساب ما يحدث بالضبط لنبضة ضوئية تحتوي على فوتونين عندما تصطدم بباعث مهتز ومثير للضجيج. وتكشف أعمالهم عن حقيقة مفاجئة: الضجيج لا يشوش قلب الطور على الإطلاق. بدلاً من ذلك، يظل قلب الطور مقيداً عند نفس الزاوية تماماً، بغض النظر عن مدى اهتزاز الباعث. الضجيج لا يقوم بتدوير الموجة، بل يجعل الموجة أصغر حجماً فقط. وجد الباحثون أنه بينما تضعف قوة الإشارة التي تحمل معلومات الطور، فإن اتجاه تلك الإشارة يظل ثابتاً تماماً. الطور مثبت، وليس مدوراً.

هذا الاكتشاف يغير فهمنا لكيفية فشل هذه الأنظمة. فقد تبين أن المشكلة ليست في فقدان المنطق الصحيح، بل في فقدان حجم الإشارة. لقد أظهر الباحثون أن الضجيج يدمر السعة (amplitude)، وهي ارتفاع أو قوة موجة الضوء، بدلاً من الطور، الذي يمثل توقيت الموجة. في العالم المثالي، سيتم خفض شدة كل من الفوتون الواحد وفردي الفوتونات بنفس القدر إذا كان النظام غير مثالي. ومع ذلك، وجدت الدراسة أن الضجيج يعاملهما بشكل مختلف؛ إذ تنجو إشارة الفوتونين من الضجيج بشكل أفضل بكثير من إشارة الفوتون الواحد. وهذا يعني أن النظام لا يصبح هادئاً فحسب، بل يتغير طابعه أيضاً. التوازن بين كيفية تعامل النظام مع فوتون واحد مقابل فوتونين يتغير بطريقة لا يمكن إصلاحها بمجرد تعديل أزرار التحكم في الآلة.

قام الباحثون بالتحقق من صحة نتائجهم من خلال مقارنة صيغهم الرياضية الجديدة بطريقة أخرى مفصلة للغاية للمحاكاة تتبع كل حالة ممكنة للنظام. وقد اتفقت الطريقتان تماماً، مما يؤكد صحة صيغهم الجديدة. كما تحققوا من نتائجهم مقابل نظريات قديمة تفترض عدم وجود ضجيج على الإطلاق، ووجدوا أن نهجهم الجديد يتطابق مع تلك النتائج القديمة عندما يتم إيقاف تشغيل الضجيج. وهذا يمنحهم ثقة عالية في أن وصفهم للنظام المليء بالضجيج دقيق. وقد تضمن جزء رئيسي من عملهم تصحيح خطأ شائع في كيفية حساب العلماء لسلوك الفوتونين؛ حيث افترضت الأساليب السابقة أن سلوك الفوتونين يمكن التنبؤ به ببساطة عن طريق ضرب سلوك فوتونين منفردين معاً. وقد أثبت الباحثون أن هذا الافتراض ينهار بمجرد إدخال الضجيج، مما يؤدي إلى أخطاء كبيرة في التنبؤ بعدد أزواج الفوتونات التي ستنجو.

إن الآثار المترتبة على بناء الحواسيب الكمومية عميقة. فبما أن الطور يظل صحيحاً تماماً حتى مع ضعف الإشارة، فإن المنطق الأساسي للمفتاح يظل محفوظاً. ومع ذلك، فإن حقيقة أن قوة الإشارة تنخفض وأن الفوتونات المفردة والمزدوجة تتأثر بشكل مختلف تعني أن المهندسين لا يمكنهم ببساطة التعامل مع الضجيج كخفوت عام للضوء. يجب عليهم مراعاة تشوه محدد في كيفية تعامل النظام مع أعداد مختلفة من الفوتونات. هذا التشوه هو خاصية ثابتة للمادة والبيئة، مما يعني أنه لا يمكن تدريبه أو تصحيحه بواسطة البرمجيات. ويخلص الباحثون إلى أنه بينما تعمل بوابة الطور كما هو مخطط لها من حيث التوقيت، فإن الثمن هو فقدان التباين، حيث تصبح الإشارة أصعب في التمييز عن الخلفية. يوفر هذا التصور خارطة طريق واضحة للتصاميم المستقبلية، حيث يوضح أن التركيز يجب أن ينتقل من محاولة إصلاح الطور إلى إدارة الخسارة غير المتكافئة في قوة الإشارة.