لقد أظهرت الفوتونات، وهي الجسيمات التي تمثل كمًا من الضوء، إمكانات كبيرة للتطوير
ما المشكلة؟
رغم النتائج الواعدةفي التجارب الأولية، هناك حاجة إلى تحقيق اختراق علمي قبل أن يتم تنفيذ الكيوبتات الضوئية على نطاق واسع. على سبيل المثال، من المعروف أن الفوتونات يمكن أن تفقد الطاقة والإشعاع عند انتقالها من نقطة إلى أخرى ولا تتفاعل مع بعضها البعض.
باحثون من جامعة كوبنهاغنوفي الدنمارك، قام معهد الفيزياء الأساسي IFF-CSIC في إسبانيا، وجامعة الرور في بوخوم في ألمانيا، مؤخرًا بتطوير استراتيجية للتغلب على إحدى هذه المشكلات، وهي الافتقار إلى التفاعل بين الفوتون والفوتون. ستساعد طريقتهم في النهاية في تطوير أجهزة كمومية أكثر تعقيدًا.
أكثر من 15 عامًا من التجارب
لقد كان العلماء يعملون على الحتميةإقران الباعثات الكمومية المفردة (النقاط الكمومية) مع الفوتونات المفردة - أكثر من 15 عامًا. ونتيجة لذلك، قاموا بتطوير طريقة تعتمد على الأدلة الموجية النانوية.
يمكن تفسير حتمية الكائنبمساعدة عقيدة الحتمية (من التحديد اللاتيني - "الحد، الخطوط العريضة، التحديد"). ووفقا له، فإن جميع الأشياء مترابطة، وجميع الظواهر والعمليات يتم تحديدها بشكل متبادل.
عادة ما يتم استخدام هذه الأجهزة لالمصادر الحتمية أحادية الفوتون ومصادر التشابك متعدد الفوتون. ومع ذلك، فقد كان مفيدًا أيضًا لبدء العمليات غير الخطية باستخدام الفوتونات.
الدليل الموجي - اصطناعي أو طبيعيقناة توجيهية يمكن أن تنتشر فيها الموجة. يقع تدفق الطاقة الذي تحمله الموجة على وجه التحديد داخل القناة نفسها. وثمة خيار آخر وهو أن يتمركز في منطقة المساحة المجاورة للقناة.
تم عرض مفهوم مثل هذه العمليات لأول مرةفي عام 2015. ومع ذلك، فقد واجهوا صعوبات عند إجراء المزيد من التحقيق في هذا التأثير. إنها تتعلق بمسائل الفيزياء الأساسية التي تكمن وراء هذا التفاعل المعقد أحادي الفوتون وغير الخطي.
وفي دراسات سابقة قالها العلماءاكتشف أن الفيزياء المسؤولة عن التفاعل غير الخطي لنبضات الضوء مفيدة أيضًا في إنشاء بوابات الكم الضوئية و"فارزات الفوتون".
وهكذا أجرى العلماء التجربة الأولىدراسة النبضات الكمومية غير الخطية التي تخضع لتفاعلات غير خطية بسبب الاقتران مع باعث كمي مقترن بشكل حتمي.
ماذا فعل العلماء؟
وفي تجربة جديدة، اكتشف الباحثونتم استخدام اقتران فعال ومتماسك لباعث كمي واحد مع دليل موجي نانوي. الهدف هو تمكين التفاعل الكمي غير الخطي بين حزم الموجات أحادية الفوتون.
الحزمة الموجية هي مجموعة معينة من الموجات،والتي لها ترددات مختلفة. وهي تصف تكوينًا له خصائص موجية، محدودة بشكل عام في الزمان والمكان.
وللقيام بذلك، استخدم العلماء نقطة كمومية واحدة، وهي جسيم بحجم نانومتر يتصرف مثل ذرة ذات مستويين. لقد تم بناؤه في الدليل الموجي البلوري الضوئي.
والشيء الرائع في مثل هذه الأنظمة هو أن التواصل فيهاهو حتمية. فحتى فوتون واحد يتم إطلاقه في الدليل الموجي يتفاعل مع نقطة كمومية. إذا قمت بإرسال نبضات تحتوي على فوتونين أو أكثر، فسيؤدي ذلك إلى ارتباطات كمومية. وذلك لأن فوتونًا واحدًا فقط في المرة الواحدة يمكنه التفاعل مع النقطة الكمومية. في النهاية، من خلال التحكم في مدة هذه النبضة الكمومية، يمكن للعلماء ضبط هذه الارتباطات والتفاعلات بين الفوتونات.
باستخدام طريقتهم التجريبية، العلماءفي جوهر الأمر، كانوا قادرين على التحكم في الفوتون باستخدام فوتون ثانٍ، والذي يتوسطه باعث كمي. بمعنى آخر، نجحوا في تنفيذ التفاعل غير الخطي بين الفوتون والفوتون وأجبروا الجسيمات على "التواصل".
إلى أين يقودنا؟
ونتيجة 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 فوتون-فوتون. سيكون هذا الاكتشاف مفيدًا أيضًا في إنشاء أجهزة فرز حتمية للفوتون، والتي تعتبر ضرورية، على سبيل المثال، للمكررات الكمومية.
المكررات الكمومية تجعل من الممكن الإنشاءالتشابك في العقد البعيدة دون إرسال الكيوبت المتشابك فعليًا عبر المسافة بأكملها. ببساطة، فهي تضخم الإشارة وتمنع الفوتونات من التلاشي.
وللاستراتيجية الجديدة آثار مهمة على كليهماالبحث في مجال فيزياء الكم ولتطوير تقنيات الكم. على سبيل المثال، ستفتح هذه الطريقة إمكانيات جديدة لتطوير الأجهزة الضوئية الكمومية، وستسمح أيضًا للفيزيائيين بتجربة الحالات الكمومية الضوئية المعقدة المصممة خصيصًا.
ما التالي؟
العلماء لن يتوقفوا ويخططواقم بتوسيع التجربة. على المستوى الأساسي، يريدون الحصول على فهم أعمق لكيفية تأثر حالات الضوء الكمومية بالسفر عبر نقطة كمومية واحدة. ومع ذلك، فإن العلماء واثقون من أن هذا التفاعل الكمي يمكن تطبيقه عمليا.
الآن يحاول الفيزيائيون استخدام اللاخطيةالتفاعل بين الفوتون والفوتون، والذي تم تنفيذه في دراسة حديثة، لمحاكاة ديناميكيات اهتزازات الجزيئات. وهذا ممكن من خلال مطابقة ديناميكيات الاهتزازات للجزيئات المعقدة مع انتشار الفوتونات في الدوائر 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. ونتيجة لذلك، حقق العلماء تفاعلًا بين الفوتون والفوتون، مما أدى إلى وجود ارتباطات. مصدر الصورة: Le Jeannic et al.