Bose-Einstein condensation and collective Bogoliubov excitations of microwave photons in superconducting quantum electrodynamics circuits

تخيل عالماً تتصرف فيه جسيمات الضوء الصغيرة، التي تُسمى الفوتونات، عادةً مثل حشد فوضوي في حفلة موسيقية؛ حيث تصطدم ببعضها البعض، وتتشتت في كل اتجاه، وترفض التحرك في انسجام. في معظم الحالات، يكون الضوء هو الفردي الأقصى. ولكن في عالم الفيزياء الكمومية الغريب وشديد البرودة، تصبح الأمور غريبة. لطالما عرف العلماء أنه إذا جعلت مجموعة من جسيمات معينة باردة وهادئة بما يكفي، يمكنها جميعاً أن "تت march في خطوة واحدة"، وتندمج في موجة كمومية واحدة عملاقة. تُسمى هذه الظاهرة "تكاثف بوز-أينشتاين" (BEC). فكر في الأمر كأنه سرب من الأسماك يقرر فجأة التوقف عن السباحة بشكل فردي ويصبح بدلاً من ذلك سمكة فائقة ضخمة ومتلألئة تتحرك ككيان واحد. وبينما شوهد هذا مع الذرات وحتى بعض أنواع الضوء المحبوس داخل الزجاج، ظل هناك سؤال كبير: هل يمكننا جعل هذا يحدث مع فوتونات الميكروويف — تلك الموجات غير المرئية التي تشغل شبكات الواي فاي والهواتف المحمولة الخاصة بنا — داخل دائرة إلكترونية صغيرة؟ إذا استطعنا فعل ذلك، فسيفتح ذلك الباب أمام نوع جديد من التكنولوجيا فائقة الحساسية وملعباً لبناء الحواسيب الكمومية.

يسجل هذا البحث طفرة في هذا الاتجاه تماماً. فقد بنى الباحثون ملعباً إلكترونياً فائق التبريد باستخدام دائرة فائقة التوصيل (دائرة تنقل الكهرباء دون مقاومة صفرية) وملأوها بشبكة من عشر بتات كمومية صغيرة، تُعرف باسم "بتات التدفق" (flux qubits). لقد قصفوا هذا النظام بإشارة ميكروويف قوية، تعمل مثل مضخة، لإجبار عدد هائل من فوتونات الميكروويف على الدخول في نمط واحد. وما وجدوه هو أن هذه الفوتونات لم تتراكم فحسب؛ بل بدأت تتصرف مثل "تكاثف بوز-أينشتاين"، وهو حالة جماعية تتراقص فيها الفوتونات والبتات الكمومية معاً كوحدة هجينة واحدة.

الاكتشاف الأكثر إثارة هو ما يحدث عندما "تنبش" هذا "السمك الفائق" بإشارة ثانية أضعف. فبدلاً من مجرد الارتداد، استجاب النظام بنوع معين من التموج يُسمى "إثارة بوغوليوبوف" (Bogoliubov excitation). يمكنك تخيل هذا مثل إلقاء حصاة في بركة هادئة؛ عادةً، ستحصل على رشة بسيطة. لكن هنا، البركة مميزة جداً لدرجة أن الرشة تخلق نمط موجي متزامن ومعقد يكشف عن البنية الخفية للماء نفسه. لاحظ الفريق هذه التموجات بوضوح، جنباً إلى جنب مع ظاهرة تسمى "الاستقرار الثنائي" (bistability)، حيث يعمل النظام مثل مفتاح ضوء يعلق في وضعيتين مختلفتين اعتماداً على كيفية تدوير المقبض. هذا السلوك، الذي قاس فيه الباحثون بدقة عالية، يوفر أول دليل تجريبي على أن فوتونات الميكروويف يمكن أن تشكل تكاثفاً وتدعم هذه الإثارات الجماعية على شريحة فائقة التوصيل.

لفهم كيفية عمل ذلك، تخيل الجهاز كآلة موسيقية عالية التقنية. يتكون من جزأين رئيسيين: "رنان T" و"رنان R"، وهما يشبهان شوكتين رنانتين مصنوعتين من معدن فائق التوصيل. وبينهما يقع نجم العرض: شبكة من عشرة بتات تدفق فائقة التوصيل. هذه البتات هي عبارة عن حلقات صغيرة من الأسلاك تقطعها وصلات جوزيفسون (حواجز تسمح بالنفق الكمومي)، وهي تعمل مثل أوتار الجيتار. قام الباحثون بتوصيل "الرنان R" بمولد ميكروويف لضخ الطاقة، ووصلوا "الرنان T" بكاشف للاستماع إلى المخرجات.

عندما ضخوا النظام بنغمة ميكروويف قوية عند تردد حوالي 7.7 جيجاهرتز، حدث شيء دراماتيكي. فبينما كانوا يزيدون من قدرة الضخ، لم يتغير تردد الرنان قليلاً فحسب، بل قفز فجأة إلى تردد أقل. حدث هذا "الانزياح الأحمر" (red shift) بشكل مفاجئ بمجرد تجاوز القدرة لعتبة معينة. والأكثر إثارة للدهشة هو أن النظام أظهر "تخلفاً" (hysteresis). فإذا قمت بزيادة القدرة ببطء، يقفز النظام إلى حالة جديدة عند نقطة معينة، ولكن إذا قمت بخفض القدرة، فإنه لا يعود للقفز إلا عند الوصول إلى مستوى أقل بكثير. إنه يشبه باباً يتطلب دفعة قوية لفتحه، ولكنه ينزلق ليغلق بسهولة؛ حالة الباب تعتمد على الاتجاه الذي تدفع به.

لاحظ الفريق أيضاً إشارة "شبحية". فعندما نظروا بدقة إلى بيانات الإرسال، رأوا انخفاضاً ثانوياً في الإشارة، صدىً خافتاً عند تردد مختلف. هذا ما يسمونه "نمط الإدلر" (idler mode)، وهو موجة شريكة تظهر بجانب الإشارة الرئيسية، تماماً كما تظهر صورة مرآتية عندما تنظر في المرآة. وجود نمط الإدلر هذا هو بصمة رئيسية لإثارات بوغوليوبوف، مما يؤكد أن الفوتونات تتفاعل مع بعضها البعض بطريقة جماعية، ميكانيكية كمومية، بدلاً من مجرد التصرف كجسيمات مستقلة.

لتفسير هذه السلوكيات الجامحة، طور الباحثون نموذجاً رياضياً يعتمد على معادلة "غروس-بيتايفسكي" (Gross-Pitaevskii equation)، وهي معادلة شهيرة تُستخدم عادةً لوصف الموائع الفائقة والتكاثفات الذرية. ومع ذلك، اضطروا لتعديلها بشكل كبير. في نظامهم، "التفاعل" بين الفوتونات ليس مباشراً؛ بدلاً من ذلك، تتحدث الفوتونات مع بعضها البعض من خلال البتات الكمومية. فمع زيادة عدد الفوتونات، يغيرون مستويات الطاقة للبتات (وهو تأثير يُعرف باسم تأثير ستارك المتردد AC Stark effect)، والذي بدوره يغير كيفية سلوك الفوتونات. هذا يخلق حلقة تغذية راجعة تؤدي إلى السلوك الجماعي. وقد طابق نموذجهم، الذي تضمن معاملات مثل قوة اقتران تبلغ $2\pi \times 25$ ميجاهرتز وانزياح تردد قدره $2\pi \times 3.4$ ميجاهرتز، بياناتهم التجريبية بشكل مثالي تقريباً.

اختبر الباحثون أيضاً ما سيحدث إذا طبقوا مجالاً مغناطيسياً. فعندما طبقوا مجالاً مغناطيسياً استاتيكياً قدره 0.489 غاوس، تغيرت عتبة القدرة المطلوبة لإحداث القفزة. أكد هذا أن البتات الكمومية، الحساسة للمجالات المغناطيسية، كانت هي اللاعبين الرئيسيين في هذه الرقصة. فقد أدى المجال المغناطيسي إلى إزاحة ترددات البتات، مما غير الطاقة اللازمة لخلق الحالة الجماعية.

باختاً، يوضح هذا البحث أنه من خلال دمج شبكة من البتات فائقة التوصيل داخل رنان ميكروويف، يمكن للعلماء إنشاء حالة تتصرف فيها فوتونات الميكروويف مثل "تكاثف بوز-أينشتاين". هذا ليس مجرد فضول نظري؛ بل هو حالة ملموسة وقابلة للقياس من المادة حيث يندمج الضوء والمادة في كلٍ جماعي واحد. إن ملاحظة إثارات بوغوليوبوف وسلوك التبديل التخلفي تشير إلى أن هذه الأنظمة يمكن استخدامها ككواشف فائقة الحساسية أو كلبنات بناء لمعالجة المعلومات الكمومية. يقترح الباحثون أن هذه المنصة توفر طريقة جديدة لهندسة الأنظمة الفوتونية متعددة الأجسام، مما قد يؤدي إلى أجهزة يمكنها اكتشاف أخفت همسات العالم الكمومي أو معالجة المعلومات بطرق بدأنا للتو في تخيلها. وبينما يركز البحث على فيزياء التكاثف نفسها، فإنه يضع حجر الأساس لتقنيات مستقبلية يمكنها تسخير هذه الحالات الكمومية الجماعية لتطبيقات في العالم الحقيقي.