‎مفاجأة الكم: الذرات تنتج أزواجًا متشابكة من الفوتونات

قد قام الباحثون في جامعة هومبولت في برلين، شركاء في مشروع DAALI، بإظهار تأثير مفاجئ موجود في الضوء الفلوريسنتي لذرة واحدة.

قاد علماء من قسم الفيزياء في جامعة هومبولت في برلين، برئاسة يورغن فولتس وأرنو روشنبوتل، وهم شركاء في مشروع Disruptive Approaches to Atom-Light Interfaces (DAALI)، إلى فهم جديد لتشتت الضوء من قبل ذرة فلورية، والذي يمكن أيضًا أن يكون مفيدًا في التواصل الكمي. قام فريق البحث بنشر نتائجهم الآن في مجلة العلوم الفيزيائية Nature Photonics.

في عام 1900، صاغ ماكس بلانك فرضية تقول أن الضوء لا يمكن أن يبادل كميات عشوائية من الطاقة مع المادة، مثل الذرة، ولكنه يمكنه فقط تبادل “حزم الطاقة” المعينة فقط تُسمى الكوانت.

خمس سنوات لاحقًا، اقترح ألبرت أينشتاين أن هذه الكوانت ليست مجرد كمية حسابية، وإنما الضوء نفسه يتكون من كوانت، والتي نسميها الفوتونات الآن. في الواقع، هناك الآن أجهزة الفوتودايود الحساسة بما فيه الكفاية لتسجيل الفوتون الواحد. عند التنوير المستمر، هذه الأجهزة لا تنتج إشارة كهربائية مستقرة، ولكن تسلسلًا من النبضات الكهربائية القصيرة. ثم يشير كل نبضة تيار إلى اكتشاف فوتون واحد.

تحت المجهر: تشتت الضوء بواسطة الليزر

إذا اصطدم ضوء ذرة واحدة، التي تتحفز لتنبعث بالضوء الفلوريسنت بواسطة شعاع ليزر، بفوتودايود حساسة للغاية من هذا النوع، فلن يتم اكتشاف اثنين من الفوتونات معًا أبدًا. من هذا الناحية، يختلف الضوء الفلوريسنت من ذرة واحدة عن الضوء الليزري الذي يتم تنبيهه به، حيث تحدث الفوتونات بالفعل معًا في الضوء الليزري. ولكن إذا اصطدمت فوتوناتي ليزر بذرة واحدة في نفس الوقت، ستمتص الذرة فقط فوتون واحد وستسمح للآخر بالمرور. بعد ذلك، ستنبعث الذرة الفوتون الليزري الممتص في اتجاه عشوائي، وبعد ذلك ستكون جاهزة لامتصاص فوتون ليزر آخر.

بمعنى آخر، يمكن لذرة واحدة تشتيت فوتون واحد فقط في كل مرة، وتصل الفوتونات في الضوء الفلوريسنتي من ذرة واحدة إلى الكاشف وكأنها مرتبة مثل اللآلئ على سلسلة. يتم استغلال هذه الخاصية ضمن مشروع DAALI والأبحاث الأخرى في مجال التقنيات الكمية. على سبيل المثال، في التواصل الكمي، يتم استخدام الفوتونات الفردية التي تنبعث من ذرات طبيعية أو صناعية للتواصل غير قابل للاختراق.

اكتشافات مفاجئة مع أزواج الفوتونات

ومع ذلك، نجح فريق البحث في جامعة هومبولت الآن في إظهار تأثير مفاجئ جدًا باستخدام الضوء الفلوريسنتي لذرة واحدة. عندما قام العلماء بإزالة مكون لوني معين من الضوء باستخدام مرشح، تحول تيار الفوتون الفردي إلى أزواج من الفوتونات التي تم اكتشافها معًا.

لذلك، عن طريق إزالة الفوتونات الصحيحة من تيار الفوتون الفردي، يبدو الفوتونات المتبقية فجأة كأزواج. هذا التأثير لا يمكن التوفيق بينه وبين تصور عالمنا اليومي؛ إذا حظرت جميع السيارات الخضراء من الشارع، فإن السيارات المتبقية لا تسير فجأة معًا بجانب بعضها.

بالإضافة إلى ذلك، يبدو أن الثقة السابقة بأن الذرة الواحدة يمكنها تشتيت فوتون واحد فقط في وقت واحد قد تم نفيها أيضًا: عندما يُراقب الذرة من خلال مرشح اللون الصحيح، يمكن للذرة تشتيت فوتونين في نفس الوقت بشكل جيد جدًا.

تم تنبؤ هذا التأثير قبل نحو 40 عامًا من قبل جان داليبار وسيرج رينو في ENS باريس في أعمالهم النظرية حول تشتت الضوء من قبل الذرات. ومع ذلك، لم يتم تجريبه تجريبيًا إلا الآن من قبل الفريق القائم على الفيزياء الكمية يورغن فولتس وأرنو روشنبوتل. “هذا مثال رائع على مدى فشل تصوراتنا عندما نحاول الحصول على فكرة عن كيفية حدوث العمليات على المستوى المجهري”، يقول يورغن فولتس.

“ومع ذلك، هذا أكثر من مجرد فضول”، يضيف أرنو روشنبوتل. “فعلا، الفوتونات الزوجية التي تم إنشاؤها هي متشابكة بشكل كمي. لذا هناك تأثير غامض عن بعد بين الفوتونين الاثنين الذين لم يكن أينشتاين يرغب في الاعتقاد فيه، والذي يمكن من خلاله نقل الحالات الكمية على سبيل المثال”.

“أن الذرة الواحدة مناسبة تمامًا كمصدر لأزواج الفوتونات المتشابكة هو شيء لم يكن أحد يصدقه حتى وقت قريب”.
في الواقع، يمكن استغلال التأثير المظهر لإنشاء مصادر لأزواج الفوتونات المتشابكة التي تصل سطوعها إلى الحد النظري الممكن وبالتالي تتجاوز المصادر الموجودة. علاوة على ذلك، تتطابق أزواج الفوتونات تلقائيًا مع الذرات التي تم منها الانبعاث. وهذا يسمح بربط الفوتونات مباشرة مع مكررات الكم أو البوابات الكمية التي تستخدم نفس الذرات والتي تعتبر ضرورية للاتصال الكمي على مسافات بعيدة.

المصدر:https://scitechdaily.com/quantum-surprise-atoms-producing-entangled-photon-pairs/