Generating spatially separated correlated multiphoton states in nonlinear waveguide quantum electrodynamics

في عالم التكنولوجيا الكمومية، يبحث العلماء باستمرار عن طرق لجعل الضوء يتصرف بطرق لا يسمح بها الطبيعة عادةً. فالضوء، المكون من جسيمات تسمى الفوتونات، ينتقل عادةً عبر الفضاء دون التفاعل مع الفوتونات الأخرى؛ حيث تمر كل منها عبر الأخرى كالأشباح. ولبناء حواسيب كمومية قوية أو مستشعرات فائقة الدقة، يحتاج الباحثون إلى جعل الفوتونات تتماسك معاً، لتشكل مجموعات معقدة ومترابطة تحمل المعلومات بطرق لا تستطيع الجسيمات المنفردة القيام بها. وكان التحدي يكمن في أن القوى المطلوبة لجعل هذه الجسيمات تتفاعل ضعيفة للغاية في معظم المواد. لسنوات، اعتمد النهج المعياري على استخدام ذرات اصطناعية صغيرة لإجبار الفوتونات على التصادم، لكن هذه الطريقة غالباً ما واجهت صعوبة في إنشاء مجموعات كبيرة من الجسيمات بكفاءة أو في فصلها بمجرد تشكلها.

لقد اقترح فريق من الباحثين الآن بنية جديدة تتغلب على هذه العقبات من خلال قلب قواعد التفاعل المعتادة بين الضوء والمادة رأساً على عقب. فبدلاً من محاولة جعل الفوتونات تتصادم مباشرة، صمموا نظاماً يدخل فيه فوتون واحد إلى دليل موجي متخصص ويتحول إلى زوج من الفوتونات المرتبطة، والتي تتحول بعد ذلك إلى ثلاثي، وهكذا. تعتمد هذه العملية على خدعة ذكية تتضمن "الذرات العملاقة" — وهي ذرات اصطناعية تتصل بالدليل الموجي في نقاط متعددة بدلاً من نقطة واحدة فقط. ومن خلال ضبط هذه الاتصالات بعناناية، أظهر الباحثون من خلال عمليات محاكاة دقيقة أنه يمكنهم تحويل فوتون واحد إلى تدفق من مجموعات الفوتونات المترابطة، حيث تتحرك كل مجموعة بسرعة مختلفة. وهذا يسمح للمجموعات المختلفة بالانفصال طبيعياً في الفضاء والزمن، مما يخلق تدفقاً مبرمجاً ومرتباً من الحالات الكمومية الجاهزة للاستخدام في التقنيات المتقدمة.

يكمن جوهر هذا العمل في دليل موجي غير خطي، وهو قناة مجهرية مكونة من سلسلة من التجويفات المتصلة. داخل كل تجويف، تعمل مادة خاصة على خلق تفاعل قوي بين الفوتونات، مما يجعلها تتنافر أو تتجاذب بفعالية اعتماداً على الإعداد. في هذا الاقتراح المحدد، يتم ملء الدليل الموجي ببواعث ذات مستويين مثارة، وهي في الأساس ذرات اصطناعية مضبوطة على تردد لا يتطابق مع الضوء الوارد. في الإعدادات التقليدية، إذا لم تكن الذرة متوافقة تماماً مع الضوء، فإنها ببساطة تتجاهله. ومع ذلك، وجد الباحثون أنه من خلال وضع هذه البواعث في نطاق طاقة "محظور" محدد، يمكنهم تحفيز عملية تشتت فريدة. فعندما يصطدم فوتون واحد بأحد هذه البواعث المثارة، فإنه لا يرتد أو يُمتص بالطريقة المعتادة، بل تندمج طاقة الفوتون والذرة لتخلق زوجاً جديداً ومستقراً من الفوتونات التي تسافر معاً كوحدة واحدة. ويطلق الباحثون على هذه الوحدة اسم "الدوبلون" (doublon).

هذا التحول هو الخطوة الأولى في عملية متعددة المراحل. فبمجرد تشكل "الدوبلون"، يستمر في الانتقال عبر الدليل الموجي حتى يصطدم بباعث مثار ثانٍ. ولأن الدوبلون يحمل طاقة أكبر من الفوتون المنفرد، فإنه يتفاعل مع هذا الباعث الثاني لإنشاء مجموعة أكبر: ثلاثي من الفوتونات يسافر معاً، يُعرف باسم "التريبلون" (triplon). يصف الباحثون هذا كأثر متتالي، حيث يعمل النظام كمضخم لعدد الفوتونات، محولاً جسيماً واحداً إلى اثنين، ثم ثلاثة، وربما أكثر. وما يجعل هذه الآلية قوية بشكل خاص هو كيفية تعاملها مع اتجاه السفر؛ ففي العديد من المحاولات السابقة، كان إنشاء هذه المجموعات يؤدي إلى تشتت الجسيمات في جميع الاتجاهات، مما يجعل من الصعب رصدها. وهنا، قدم الباحثون مفهوم "الذرة العملاقة الزائفة" (pseudo-giant atom)؛ فبينما الباعث الفيزيائي هو نقطة واحدة، فإن الوصف الرياضي لكيفية تفاعله مع أزواج الفوتونات المرتبطة يكشف أنه يتصرف كما لو كان متصلاً بالدليل الموجي في نقاط مختلفة عديدة في آن واحد.

باستخدام تكوين "الذرة العملاقة" الحقيقي — حيث يتصل باعث واحد فيزيائياً بالدليل الموجي في مواقع متميزة متعددة — تمكن الفريق من التحكم في أنماط التداخل للضوء. يتيح هذا التحكم توجيه مجموعات الفوتونات المتشكلة حديثاً للتحرك في اتجاه واحد فقط، مما يمنع التشتت العكسي. وفي عمليات المحاكاة، أظهروا أنه بالإعدادات الصحيحة، يمكنهم تحويل 95% من الفوتون الوارد إلى "دوبلون" يتحرك للأمام. وعندما وسعوا ذلك إلى مرحلة ثانية لإنشاء "التريبلونات"، ظلت كفاءة التحويل عالية عند حوالي 90%. ويمثل هذا المستوى من التحكم تحولاً كبيراً عن الطرق السابقة، التي كانت تعتمد غالباً على التشتت الرنيني حيث يجب أن تتطابق الذرة والضوء في التردد، وهو شرط يصعب الحفاظ عليه وغالباً ما يؤدي إلى فقدان الطاقة.

لعل الميزة الأكثر إثارة في هذا النظام هي كيفية فرزه للنتائج تلقائياً. ونظراً لأن الفوتون المنفرد، والزوج، والثلاثي، جميعهم يمتلكون هياكل داخلية مختلفة، فإنهم يسافرون بسرعات مختلفة. فالفوتون المنفرد يتحرك بأقصى سرعة، والزوج يتحرك أبطأ، والثلاثي هو الأبطأ. وبينما يسافرون عبر الدليل الموجي، يتسبب هذا الاختلاف في السرعة في تباعدهم طبيعياً. ووجد الباحثون أنه بعد مسافة قصيرة، ستنفصل المجموعات الثلاث تماماً في الفضاء، وتصل في أوقات مختلفة. وهذا يعني أن النظام ينتج مخرجاً هو في الواقع تراكب لثلاث حالات كمومية مختلفة، كل منها يشغل حيزه الزمني الخاص. وأوضح الباحثون أنه من خلال ضبط قوة الاتصالات بين الذرة العملاقة والدليل الموجي، يمكنهم برمجة الخليط الدقيق لهذه الحالات، وتحديد مقدار المخرج الذي يجب أن يكون فوتونات منفردة، ومقدار الأزواج، ومقدار الثلاثيات.

تؤكد الورقة البحثية أن هذه النتائج تستند إلى عمليات محاكاة عددية صارمة باستخدام أدوات ميكانيكا الكم الراسخة، وليس تجارب فيزيائية أُجريت في المختبر. لقد قام الباحثون بنمذجة النظام باستخدام معاملات يمكن تحقيقها حالياً في الدوائر فائقة التوصيل، وهي منصة رائدة للحوسبة الكمومية. وحسبوا أن العملية برمتها ستتم في غضون بضعة ميكروثوانٍ، وهو ما يقع ضمن الحدود الزمنية التي يمكن للأجهزة الكمومية الحالية الحفاظ عليها قبل أن تفقد خصائصها الكمومية الدقيقة. وأكدت عمليات المحاكاة أن النظام يحافظ على الطاقة والاحتمالية، مما يضمن تحويل الفوتون الداخل بشكل موثوق إلى حالات المخرجات المطلوبة دون أن يختفي في الضجيج. كما أشار الباحثون إلى أن هذا النهج يتجنب الحاجة إلى مصفوفات معقدة من العديد من البواعث لتحقيق الفصل، معتمداً بدلاً من ذلك على فروق السرعة الجوهرية للحالات المرتبطة.

يشير هذا العمل إلى مسار جديد لتوليد موارد كمومية معقدة عند الطلب. فمن خلال إنشاء مجموعات فوتونية مترابطة ومنفصلة مكانياً، يمكن للنظام أن يعمل كأداة متعددة الاستخدامات للمحاكاة الكمومية، حيث يحاكي العلماء سلوك المواد المعقدة، أو للقياس الكمومي (metrology)، الذي يتضمن إجراء قياسات دقيقة للغاية. إن القدرة على توليد "الكيوبتات الطائرة" (flying qubits) التي تكون متشابكة ليس فقط في حالتها الداخلية ولكن أيضاً في وقت وصولها وعدد الفوتونات، تفتح آفاقاً جديدة لتشفير المعلومات. ويقترح الباحثون أن هذه البنية تجسر الفجوة بين البصريات غير الخطية ودراسة فيزياء الأجسام المتعددة، مما يوفر طريقة قابلة للتوسع لإنشاء أشكال غريبة من المادة الفوتونية. وبينما لا تدعي الورقة أنها حلت جميع تحديات الهندسة الكمومية، إلا أنها تقدم مخططاً نظرياً ملموساً لتوليد حالات متعددة الفوتونات تكون عالية الترابط وسهلة الفصل في آن واحد، وهو مزيج كان عصياً على الوصول إليه في المقاربات السابقة.