ما هي البصريات الكمومية؟
البصريات الكمومية: هي دراسة كيفية تفاعل الكميات الفردية للضوء، والمعروفة بالفوتونات، مع الذرات والجزيئات. يتضمن ذلك دراسة الخصائص الشبيهة بالجسيمات للفوتونات. تم استخدام الفوتونات لاختبار العديد من التنبؤات غير البديهية لميكانيكا الكم، مثل التشابك (entanglement) والنقل الآني (teleportation)، وهي مورد مفيد لمعالجة المعلومات الكمية.
تتعامل البصريات الكمومية مع العمليات والظواهر حيث تكون الحالات الكمومية للحقل الكهرومغناطيسي ذات أهمية مركزية. يسهل الضوء استكشاف الظواهر الكمومية التي تضيء الخصائص الأساسية للطبيعة وأيضاً تتيح تقنيات جديدة جذرية تستند إلى هذه الظواهر. الميزات الحاسمة للضوء الكمومي التي تدعم فرص الاكتشاف والتطبيق هي ضوضاء منخفضة بشكل استثنائي وارتباطات قوية.
تم تحفيز التقدم السريع في كل من العلوم والتكنولوجيا من خلال اعتماد المكونات المطورة للاتصالات السلكية واللاسلكية البصرية والشبكات، مثل أجهزة الكشف عالية الكفاءة، والدوائر الضوئية المتكاملة، والأجهزة البصرية غير الخطية القائمة على الدليل الموجي أو البنية النانوية.
توفر هذه الوسائل لتوليد حالات كمومية جديدة من الضوء ومادة ذات نطاق غير مسبوق، تحتوي على العديد من الفوتونات ذات الارتباطات الكمية عبر المكان والزمان. والجدير بالذكر أنّ الشبكات التي تحتوي على عدة عشرات من الفوتونات تتجاوز بالفعل ما يمكن تحليله بكفاءة بواسطة أجهزة الكمبيوتر الحالية.
شرح البصريات الكمومية:
للضوء خاصية بارزة، فهو يعرض سمات كمية في درجة حرارة الغرفة. والسبب هو أنّ طاقة الفوتون كبيرة بما يكفي بحيث يكون إشعاع الجسم الأسود في الخلفية ضئيلاً في الظروف المحيطة وصغيراً بما يكفي ليتم اكتشافه بسهولة في ظروف مماثلة.
علاوةً على ذلك، من الممكن تحضير الحالات الكمومية للضوء بسهولة نسبياً، ومعالجتها باستخدام هياكل بمقياس الطول الموجي للفوتون “أي، الطول الموجي لـ de Broglie”، واكتشافها عن طريق الامتصاص.
يوفر الضوء الكمومي ميزات مميزة، مثل تقليل الضوضاء مقارنة بالبصريات الكلاسيكية، والارتباطات، وخاصة التشابك، التي تكون أقوى من أي شيء ممكن بين أشعة الضوء الكلاسيكية. إحدى النتائج هي أنّ الفوتونات وفرت الزخم للعديد من الاكتشافات بعيدة المدى في فيزياء الكم، مما أسفر عن أدلة تجريبية حول الارتباطات الكمومية التي غيرت الطريقة التي نفهم بها العالم الطبيعي.
على سبيل المثال، تم إثبات عدم ملاءمة النماذج المتغيرة المخفية المحلية، التي تم اختبارها بواسطة متباينات بيل، بشكل مقنع باستخدام الضوء الكمي. مثال آخر هو البرهان الأخير على أنّ الوظائف الموجية للواقعية ليست مجرد أوصاف لحالة معرفة المراقب.
البصريات الكمومية في علم البصريات:
البصريات الكمومية هي جزء من علم البصريات “علم وتكنولوجيا الضوء” الذي يتعامل مع التأثيرات الكمومية. في كثير من الحالات، يتم دراسة هذه الآثار في سياق البحث الأساسي. ومع ذلك، فهي أيضاً مهمة جداً في فيزياء الليزر:
- تعتبر العمليات الميكانيكية الكمومية الأساسية مثل الانبعاث التلقائي والمحفز ذات أهمية أساسية للتشغيل العام وأداء الليزر.
- تحدث تأثيرات الكم ضوضاء الليزر (laser noise)، على سبيل المثال يتسبب في عرض خطي محدود ومستوى محدود من شدة الضوضاء حتى لو تم كبت جميع مصادر الضوضاء التقنية. وبالمثل، فقد وضعوا حداً أدنى لضوضاء مكبر الصوت للمضخمات الضوئية.
مجال آخر من البصريات الكمومية يتضمن الضوء غير الكلاسيكي، مثل حالات الضوء المضغوطة (squeezed states of light)، التي لها خصائص ضوضاء كمومية غير عادية. ترتبط هذه المنطقة إلى حد ما بموضوع قياسات عدم التدمير الكمي، والتي تجعل من الممكن، على سبيل المثال، تحديد شدة شعاع الضوء دون تغييره.
تقنيات الكم:
البصريات الكمومية لها تطبيقات عملية، على سبيل المثال التشفير الكمي (quantum cryptography)، وهو استخدام التأثيرات الكمومية لنقل المعلومات بشكل آمن، وعلم القياس الكمي. تسمى المجالات التطبيقية أيضاً الضوئيات الكمومية كمجال ضمن تكنولوجيا الكم. الأنواع التالية من المنتجات مخصصة لتلك الحقول:
- بواعث فوتون واحد – single-photon emitters.
- مصادر زوج الفوتون – photon pair sources.
- كاشفات ضوئية منخفضة الضوضاء، على سبيل المثال لعد الفوتون.
- مصائد بصرية – optical traps.
- أنظمة التشفير الكمي بما في ذلك توزيع المفاتيح الكمومية.
- أجزاء للبحث العلمي في الحوسبة الكمومية.
الاتصالات الكمومية – Quantum communications:
يتعامل الاتصال الكمي مع فكرة نقل الحالات الكمية من مكان إلى آخر. المفهوم الأساسي هو أنّ الحالات الكمية يمكن أن تشارك التشابك بين عدة أطراف، ويمكن لهذه الارتباطات ترميز المعلومات التي يتم مشاركتها بين الأطراف. تتراوح هذه الاتصالات من التشفير الكمي إلى “الأسلاك” داخل الكمبيوتر الكمومي، حيث يتم إنشاء العلاقات الكمية بين أجزاء مختلفة من الجهاز.
