Focusing through coupled multimode fibers for miniaturized single-atom tweezer arrays

إن السعي لبناء حواسيب كمومية عملية ومستشعرات فائقة الحساسية يصطدم غالباً بعائق ليس في النظرية، بل في الحجم. فمن أجل التحكم في أصغر وحدات المادة، مثل الذرات المنفردة، يستخدم العلماء عادةً "الملاقط الضوئية"، وهي في الأساس حزم ضوئية مركزة تعمل مثل أصابع غير مرئية للإمساك بالجسيمات وتثبيتها في مكانها. وفي المختبر، تُصنع هذه الحزم عادةً عبر تسليط الضوء من خلال عدسات زجاجية ضخمة وثقيلة. ورغم فعاليتها، إلا أن هذه المكونات الضخمة باهظة الثمن، وهشة، ويصعب ضبط محاذاتها بدقة؛ فإذا تحركت المعدات ولو قليلاً، يُفقد القبض الدقيق على الذرة. ولكي تنتقل التكنولوجيا الكمومية من المختبر إلى العالم الحقيقي — ربما لتأمين الاتصالات أو تشغيل الشبكات المستقبلية — يحتاج الباحثون إلى أنظمة صغيرة، وخفيفة الوزن، وقوية بما يكفي للصمود في البيئات الأقل ضبطاً.

وهنا تقدم مرونة الألياف الضوئية حلاً واعداً. فخلافاً للعدسات الزجاجية الصلبة، فإن الألياف عبارة عن خيوط رفيعة وقابلة للانحناء يمكنها توجيه الضوء عبر مسافات طويلة. ومع ذلك، فإن استخدام ليف واحد لاحتجاز الذرات يمثل عائقاً رئيسياً: فهو يعمل مثل أنبوب واحد، مما يجعل من الصعب إنشاء مصائد متعددة ومستقلة يمكن تحريكها بسرعة. ولحل هذه المشكلة، طور باحثون في جامعة دورهام طريقة جديدة باستخدام نوع خاص من حزم الألياف يسمح لهم بإنشاء مصيدتين منفصلتين وقابلتين للتحكم من جهاز واحد مدمج. ويُظهر عملهم مساراً نحو مصفوفات قابلة لإعادة التشكيل من مصائد الذرات التي يمكن أن تتناسب مع العبوات الصغيرة المطلوبة للتطبيقات الكمومية في العالم الحقيقي.

بدأ الفريق باستخدام جهاز يُعرف باسم "الموصل المدمج" (fused coupler)، وهو في الأساس ليفان متعددان الأنماط تم صهرهما معاً عند طرف واحد لتشكيل مخرج واحد. وتتميز الألياف متعددة الأنماط بأنها واسعة بما يكفي لحمل العديد من أنماط الضوء المختلفة في وقت واحد، على عكس الألياف القياسية التي تحمل نمطاً واحداً فقط. قام الباحثون بتوصيل شعاعي ليزر منفصلين بنهائي المدخل لـهذا الموصل. ولتشكيل الضوء داخل الألياف، استخدموا جهاز مرآة رقمية (digital micromirror device)، وهو شريحة مغطاة بآلاف المرايا الصغيرة التي يمكنها الميل لتوجيه الضوء في أنماط دقيقة. ومن خلال برمجة هذه المرايا، استطاعوا التحكم بدقة في كيفية تداخل الموجات الضوئية مع بعضها البعض أثناء انتقالها عبر الليف، مما سمح لهم بتركيز الضوء في نقطة ضيقة عند الطرف الآخر.

أولاً، اختبر الباحثون النظام باستخدام قناة إدخال واحدة فقط. قاموا ببرمجة المرايا لإنشاء نقطة ضوئية واحدة مكثفة عند نهاية الليف. وقاسوا حجم هذه البقعة ووجدوا أنها صغيرة للغاية، بعرض 2.00 ميكرومتر تقريباً، وهو ما يعادل حجم البكتيريا تقريباً. وهذا الحجم صغير بما يكفي لاحتجاز ذرة واحدة. كما تحققوا من سلوك البقعة أثناء تحريك الليف بالنسبة للكاميرا، مؤكدين أن التركيز ظل حاداً وسلك سلوك العدسة المثالية تماماً، على الرغم من انتقاله عبر المسارات المعقدة والمتعرجة داخل الليف.

أما الاختراق الحقيقي فقد حدث عندما قاموا بتنشيط قناتي الإدخال في آن واحد لإنشاء مصيدتين منفصلتين. في الماضي، كانت محاولة إرسال شعاعين عبر ليف واحد تؤدي غالباً إلى تداخلهما مع بعضهما البعض، مما يخلق نمطاً ضوئياً فوضوياً ومتغيراً يجعل من المستحيل الإمساك بذرتين في مواضع مستقرة ومستقلة. ولمنع حدوث ذلك، أدخل الباحثون فرقاً طفيفاً في تردد، أو "طبقة"، الضوء في إحدى القناتين. هذا الفرق الطفيف تسبب في جعل التداخل بين الشعاعين يتذبذب بسرعة كبيرة لدرجة أن الذرات، التي تتحرك ببطء شديد، لم تشعر إلا بمتوسط تأثير الشعاعين فقط. وكانت النتيجة مصيدتين متميزتين ومستقرتين يمكن وضعهما بشكل مستقل عن بعضهما البعض.

اختبر الفريق بعد ذلك مدى إمكانية التحكم في هاتين المصيدتين. قاموا ببرمجة النظام لوضع البقعتين الضوئيتين على مسافات مختلفة من بعضهما البعض، ووجدوا أن المسافة الفعلية بين المصيدتين طابقتت أهدافهم المقصودة بدقة شبه تامة. والأهم من ذلك، أنهم اختبروا مدى قدرة النظام على الصمود أمام عدم المحاذاة. ففي العديد من الأنظمة الضوئية، إذا لم يتم توجيه الضوء الداخل إلى الليف بدقة، فإن شعاع المخرج ينزاح أو يتذبذب. ومع ذلك، وجد الببحاث أنه عند تعمد عدم محاذاة شعاع الإدخال لأحد القنوات، فإن موقع المصيدة الناتج لم يتحرك تقرياً. وبدلاً من انزياح الموقع، أصبحت المصيدة فقط أقل سطوعاً. وهذا يعني أن النظام "متسامح" للغاية؛ فحتى لو اهتزت المعدات أو تحركت قليلاً، تظل الذرات محتجزة في نفس المكان تماماً، وهو مطلب حيوي لأي جهاز يحتاج للعمل بموثوقية خارج المختبر الخاضع للرقابة.

كما قاس الباحثون مدى تداخل المصيدتين مع بعضهما البعض. ووجدوا أن الضوء المخصص لإحدى المصيدتين يتسرب إلى الأخرى بمستوى منخفض جداً بحيث يكاد لا يُلحظ، وهو مستوى يضاهي الضوضاء العشوائية الخلفية للكاميرا نفسها. هذا المستوى العالي من العزل يعني أن العلماء يمكنهم، على سبيل المثال، إطفاء مصيدة واحدة للتحكم في ذرة معينة دون إزعاج جارتها. وبينما استخدمت التجار nghiệm الحالية طاقة منخفضة نسبياً، يشير المؤلفون إلى أن هذه الطريقة متوافقة مع أشعة ليزر أقوى بكثير، وهو أمر سيكون ضرورياً لاحتجاز أعداد أكبر من الذرات.

يؤكد هذا العمل أن الموصلات الليفية المدمجة يمكن أن تعمل كمنصة مدمجة وقوية لإنشاء مصفوفات من المصائد الضوئية. فمن خلال الجمع بين مرونة الألياف الضوئية والقدرة على تشكيل الضوء عبر التحكم الرقمي، أثبت الباحثون طريقة لبناء أنظمة كمومية ليست أصغر وأرخص فحسب، بل هي أيضاً أكثر استقراراً ضد الصدمات والاهتزازات في العالم الحقيقي. وتتمثل الخطوة التالية لهذه التكنولوجيا في استخدام هذه المصائد لالتقاط وترتيب ذرات حقيقية، مما يمهد الطريق لشبكات وحساسات كمومية يمكن نشرها في الميدان بدلاً من مجرد بقائها على طاولة المختبر.