Quantum-Nondemolition Probing of Multiphoton Transitions between Dressed States in a Strongly Driven Jaynes--Cummings System

في العالم الكمومي، لا يكتفي الضوء والمادة بالارتداد عن بعضهما البعض فحسب؛ بل يمكن أن يصبحا متشابكين بعمق لدرجة أنهما يكفان عن كونهما كيانين منفصلين. توصف هذه الظاهرة من خلال نموذج شهير يسمى نموذج "جينز-كامينغز" (Jaynes–Cummings)، والذي يعمل كمخطط لكيفية تفاعل ذرة واحدة مع جسيم واحد من الضوء، أو ما يعرف بالفوتون. عندما يتزاوجان معاً، يشكلان حالات هجينة جديدة تُعرف بالحالات الملبسة (dressed states). تخيل هذه الحالات كسلّم من مستويات الطاقة، حيث يمثل كل درجة منه مزيجاً محدداً من الذرة والمجال الضوئي. لطالما تمكن العلماء من رؤية الدرجات القليلة الأولى من هذا السلم، ولكن كلما حاولوا تسلقه للأعلى، تصبح الرؤية محجوبة. إن مجرد عملية تسليط ضوء ساطع على النظام لجعل رؤيته ممكنة غالباً ما يخلق وهجاً مبهراً يحجب الخطوات المعقدة والدقيقة في المستويات الأعلى من السلم.

لقد وجد الباحثون في جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين الآن طريقة للنظر خلف هذا الوهج. فمن خلال فصل الضوء المستخدم لإثارة النظام عن الطريقة المستخدمة لمراقبته، تمكنوا من رصد بنية غنية من الانتقالات التي كانت غير مرئية سابقاً. يكشف عملهم عن كيفية سلوك هذه الحالات الهجينة عندما تتعرض لقوى قوية، مما يكشف عن مشهد معقد من القفزات الطاقية التي تشمل خطوات كان يُعتقد سابقاً أنها محظورة أو باهتة جداً بحيث لا يمكن رؤيتها. يقدم هذا الاختراق نافذة أوضح على القواعد الأساسية التي تحكم كيفية تفاعل الضوء والمادة عند أصغر المقاييس.

أُجريت التجربة في إعداد كهرو-ديناميكا الكم الداراتي (circuit quantum electrodynamics)، وهو منصة حيث ترتبط ذرة اصطناعية فائقة التوصيل، تُعرف باسم "ترانسمون كيوبت" (transmon qubit)، بتجويف ميكروويف. في التجارب التقليدية، يسلط العلماء إشارة ميكروويف داخل التجويف لتحفيز النظام ثم يقيسون الإشارة التي تخرج من الجانب الآخر. تكمن المشكلة في هذا النهج في أن إشارة التحفيز القوية تخلق ضجيجاً خلفياً هائلاً، تماماً مثل محاولة سماع همس في غرفة يعمل فيها مروحة صاخبة. هذا الضجيج يغرق الإشارات الدقيقة القادمة من مستويات الطاقة الأعلى للنظام. ولحل هذه المشكلة، صمم الفريق نهجاً جديداً حيث تسلك إشارة التحفيز وإشارة القياس مسارات مختلفة تماماً. فقد استخدموا نغمة ميكروويف قوية لتحفيز التجويف، بينما استخدموا في الوقت ذاتاً رنيناً مستقلاً ومنفصلاً للقراءة عن حالة الكيوبت دون إزعاجه. تتيح هذه التقنية، المعروفة باسم "القراءة غير المدمرة للكم" (quantum-nondemolition readout)، اكتشاف إشغال الكيوبت بحساسية عالية أثناء تحفيز التجويف بقوة، مما يؤدي فعلياً إلى إسكات الضجيج الخلفي.

باستخدام هذه الطريقة، رسم الباحثون خارطة لمشهد الطاقة في النظام بوضوح غير مسبوق. لقد حددوا سلسلة من القمم الحادة والمتميزة التي تتوافق مع انتقالات متعددة الفوتونات، حيث يمتص النظام عدة فوتونات في آن واحد للقفز من إحدى الحالات الملبسة إلى أخرى. في الماضي، كانت هذه الانتقالات غالباً ما تندمج في ميزة واحدة عريضة أو تختفي تماماً بسبب إشارة التحفيز. كشفت التقنية الجديدة أن هذه الميزات هي في الواقع انتقالات بين حالات تشترك في نفس التماثل، أو "الباريتي" (parity). علاوة على ذلك، رصد الفريق حتى انتقالات أضعف بين حالات ذات تماثل متعاكس، وهي انتقالات عادة ما تكون مكبوتة ويصعب جداً رصدها. تؤكد هذه النتائج أن النظام ليس مجرد ذرة بسيطة ثنائية المستويات، بل هو بنية معقدة متعددة المستويات حيث تلعب الطاقة الحرارية دوراً حاسماً في إشغال نقاط البداية لهذه الانتقالات.

استكشفت الدراسة أيضاً ما يحدث عندما يقوم الباحثون بتغيير تردد الكيوبت عمداً عن تردد التجويف. فمن خلال ضبط تردد الكيوبت باستخدام التدفق المغناطيسي، استطاعوا مراقبة كيفية انزياح مستويات الطاقة وتفاعلها. لقد رصدوا "التقاطعات المتجنبة" (avoided crossings)، حيث تقترب مستويات الطاقة من بعضها البعض لكنها تتنافر بدلاً من أن تتقاطع، وهو ما يعد سمة مميزة للتفاعل الكمومي. في هذه الظروف، شاهدوا انتقالات تتضمن الحالة المثارة الثانية للكيوبت، وهو مستوى يكون عادة بعيداً عن النشاط الرئيسي. أظهرت البيانات أن قوة هذه الانتقالات تتغير اعتماداً على المزيج المحدد للكيوبت والفوتون في الحالة الملبسة. وقد تمكن الباحثون من مطابقة ملاحظاتهم التجريبية تماماً مع الحسابات النظرية التي شملت تأثيرات مستويات الطاقة المتعددة للكيوبت والاختلافات الطفيفة المتبقية في التردد بين الكيوبت والتجويف.

أحد أكثر الجوانب أهمية في هذا العمل هو دور درجة الحرارة. فحتى في درجات الحرارة المنخفضة للغاية للتجربة، القريبة من الصفر المطلق، تظل هناك كمية ضئيلة من الطاقة الحرارية. وجد الباحثون أن هذا الإشغال الحراري الصغير ضروري لرؤية الانتقالات التي تبدأ من الحالات المثارة. فبدون هذه "الدفعة" الحرارية، ستظل العديد من الميزات المثيرة غير مرئية. ومن خلال أخذ هذا في الاعتبار، استطاعوا تفسير النطاقات العريضة من النشاط المشاهدة بالقرب من مركز طيفهم كـمجموعة من الانتقالات المتداخلة التي تبدأ من مستويات طاقة أعلى فأعلى. يساعد هذا الاستبصار في حل الارتباك السابق حول طبيعة هذه الميزات، والتي كانت تُعزى إلى تأثيرات أخرى مثل "عدم الاستقرار الثنائي" (bistability) أو "انهيار حجز الفوتون" (photon blockade breakdown).

إن القدرة على رصد هذه الانتقالات تفتح مساراً جديداً لدراسة تفاعلات الضوء والمادة تحت التحفيز القوي. لقد أظهر الباحثون أنه من خلال فصل التحفيز عن القراءة، استطاعوا رؤية تفاصيل كانت قد مُحيت سابقاً، بما في ذلك الانتقالات التي تتضمن أكثر من سبعة فوتونات في قفزة واحدة. يسمح هذا المستوى من التفصيل بفهم أكثر دقة لـ "سلم جينز-كامينغز". ويشير العمل إلى أنه مع المزيد من التحسينات في سرعة القياس وعرض النطاق الترددي، قد يكون من الممكن مراقبة القفزات الكمومية الفردية في الوقت الفعلي، وتتبع كيفية انتقال النظام من حالة إلى أخرى. وهذا من شأنه أن يربط الديناميكيات المجهرية لهذه الحالات الملبسة بالظواهر الأكبر نطاقاً، مما يوفر فهماً أعمق لكيفية سلوك الأنظمة الكمومية تحت قوى التحفيز القوية. وتقف هذه الدراسة كشهادة على قوة صقل التقنيات التجريبية لتقشير طبقات التعقيد في الأنظمة الكمومية، وكشف عالم من البنية كان موجوداً دائماً، ينتظر فقط من يراه.