أُجبرت الفوتونات على "التواصل" مع بعضها البعض: ما سبب الحاجة إليها ولماذا استغرق الأمر 15 عامًا

الفوتونات - الجسيمات التي تمثل كمية من الضوء ، أثبتت بالفعل إمكانات كبيرة للتطور

تقنيات الكم.على وجه الخصوص ، يستكشف الفيزيائيون إمكانية إنشاء كيوبتات فوتونية (وحدات كمية من المعلومات) يمكن نقلها عبر مسافات طويلة باستخدام الفوتونات. ومع ذلك ، هناك عقبة مهمة على طول الطريق.

ما المشكلة؟

على الرغم من النتائج الواعدةالتجارب الأولية ، هناك حاجة إلى اختراق علمي قبل التمكن من تنفيذ الكيوبتات الضوئية على نطاق واسع. على سبيل المثال ، من المعروف أن الفوتونات يمكن أن تفقد الطاقة والإشعاع عند الانتقال من نقطة إلى أخرى ولا تتفاعل مع بعضها البعض.

باحثون في جامعة كوبنهاغنطورت الدنمارك ، ومعهد Física Fundamental IFF-CSIC في إسبانيا وجامعة الرور في بوخوم في ألمانيا مؤخرًا استراتيجية للتغلب على إحدى هذه المشكلات ، وهي عدم وجود تفاعل الفوتون والفوتون. ستساعد طريقتهم في النهاية في تطوير أجهزة كمومية أكثر تعقيدًا.

أكثر من 15 عامًا من التجارب

لطالما عمل العلماء على الحتميةاقتران بواعث الكم المفردة (النقاط الكمومية) بفوتونات مفردة - أكثر من 15 عامًا. نتيجة لذلك ، طوروا طريقة تعتمد على أدلة الموجات النانوية.

يمكن تفسير حتمية كائن ماباستخدام عقيدة الحتمية (من اللات. تحديد - "حد ، حدد ، حدد"). ووفقًا له ، فإن جميع الكائنات مترابطة ، ويتم تحديد جميع الظواهر والعمليات بشكل متبادل.

عادة ، تم استخدام هذه الأجهزة لمصادر الفوتون الفردي الحتمية ومصادر التشابك متعدد الفوتونات. ومع ذلك ، فقد كان مفيدًا أيضًا لبدء عمليات غير خطية باستخدام الفوتونات.

الدليل الموجي - اصطناعي أو طبيعيقناة إرشادية يمكن أن تنتشر فيها الموجة. يقع تدفق الطاقة الذي تحمله الموجة داخل القناة نفسها تمامًا. خيار آخر هو أنه يتركز في منطقة الفضاء المجاورة للقناة.

تم عرض مفهوم هذه العمليات لأول مرة في عام 2015عام. ومع ذلك ، فقد واجهوا صعوبات في إجراء مزيد من التحقيق في هذا التأثير. إنها مرتبطة بأسئلة الفيزياء الأساسية التي تكمن وراء هذا التفاعل المعقد أحادي الفوتون وغير الخطي.

في الدراسات السابقة ، العلماءاكتشف أن الفيزياء "المسؤولة" عن التفاعل غير الخطي للنبضات الضوئية كانت مفيدة أيضًا في إنشاء بوابات كمومية ضوئية و "فارزات الفوتون".

وهكذا ، أجرى العلماء أول تجربةدراسة النبضات الكمومية غير الخطية التي تخضع لتفاعل غير خطي بسبب الاقتران مع باعث كمي مقترن بشكل حتمي.

ماذا فعل العلماء؟

في تجربة جديدة الباحثينتم استخدام اقتران فعال ومتماسك لباعث كمي واحد مع دليل موجي نانوفوتوني. الهدف هو توفير تفاعل كمي غير خطي بين حزم موجة أحادية الفوتون.

الحزمة الموجية هي مجموعة معينة من الموجات لها ترددات مختلفة. يصفون تكوينًا له خصائص موجية ، محدودة بشكل عام في الزمان والمكان.

للقيام بذلك ، استخدم العلماء نقطة كمومية واحدة ، وهي جسيم بحجم نانومتر يتصرف مثل ذرة ذات مستويين. تم بناؤه في دليل موجي بلوري ضوئي.

الشيء الرائع في مثل هذه الأنظمة هو الارتباط بهاحتمية. حتى فوتون واحد يتم إطلاقه في دليل موجي يتفاعل مع نقطة كمومية. سيؤدي إرسال نبضات تحتوي على فوتونين أو أكثر إلى حدوث ارتباطات كمومية. وذلك لأن فوتونًا واحدًا فقط يمكنه التفاعل مع نقطة كمومية في كل مرة. نتيجة لذلك ، من خلال التحكم في مدة هذه النبضة الكمومية ، يمكن للعلماء ضبط هذه الارتباطات والتفاعلات بين الفوتونات.

باستخدام طريقتهم التجريبية ، العلماء ،في الواقع ، كانوا قادرين على التحكم في الفوتون باستخدام الفوتون الثاني ، الذي يتوسطه باعث كمي. بعبارة أخرى ، أدركوا بنجاح وجود تفاعل غير خطي بين الفوتون والفوتون ، مما أجبر الجسيمات على "التواصل".

إلى أين يقودنا؟

نتيجة لذلك ، طور العلماء طريقةيسمح للفوتونات بالتفاعل بشكل فعال مع بعضها البعض من خلال التواصل مع النقاط الكمومية. سيساعد هذا في إنشاء اتجاهات جديدة لإنشاء بوابات كمومية للفوتون الفوتون. سيكون الاكتشاف مفيدًا أيضًا في إنشاء أجهزة فرز حتمية للفوتون ، والتي تكون ضرورية ، على سبيل المثال ، للمكررات الكمومية.

تتيح مكررات الكم إمكانية إنشاء تشابك في العقد البعيدة دون إرسال كيوبت متشابك فعليًا عبر المسافة بأكملها. ببساطة ، إنها تضخم الإشارة ولا تسمح للفوتونات بالتلاشي.

الاستراتيجية الجديدة لها آثار مهمة لكليهماالبحث في مجال فيزياء الكم ، ولتطوير تقنيات الكم. على سبيل المثال ، ستفتح الطريقة إمكانيات جديدة لتطوير الأجهزة البصرية الكمومية ، بالإضافة إلى السماح للفيزيائيين بتجربة الحالات الكمومية الضوئية المعقدة المتكيفة.

ما التالي؟

العلماء لن يتوقفوا ويخططواتوسيع التجربة. على المستوى الأساسي ، يريدون اكتساب فهم أعمق لكيفية تأثر الحالات الكمومية للضوء بالسفر عبر نقطة كمومية واحدة. ومع ذلك ، فإن العلماء على يقين من أنه يمكن تطبيق هذا التفاعل الكمي في الممارسة العملية.

يحاول الفيزيائيون الآن استخدام اللاخطيةتم تنفيذ تفاعل الفوتون والفوتون في دراسة حديثة لمحاكاة ديناميات اهتزاز الجزيئات. هذا ممكن إذا قارنا الديناميات الاهتزازية للجزيئات المعقدة مع انتشار الفوتونات في المخططات الضوئية المتقدمة.

قراءة المزيد:

كشفت وكالة ناسا عن أصل كوكب هاوميا - أكثر الكواكب غموضًا في النظام الشمسي

جعلت الكائنات الحية المريخ غير صالح للسكنى

يمكن للكبد أن يعمل لأكثر من 100 عام: أخبر العلماء كيف يكون ذلك ممكنًا

على الغلاف:ينتشر فوتونان في دليل موجي ويتفاعلان مع باعث كمي واحد. نتيجة لذلك ، حقق العلماء تفاعلًا بين الفوتون والفوتون ، مما أدى إلى وجود ارتباطات. الائتمان: Le Jeannick et al.