الفوتونات المتشابكة وأهميتها

ممكن تحقيق توليد الفوتون المتشابك من خلال استخدام مجموعة من النقاط الكمومية، والتي ترتبط بخزانات إلكترونية مزدوجة ويتم حقنها في مرنان ميكروويف أسطواني.

ما هي الفوتونات المتشابكة

إنها ظاهرة تحدث عندما ترتبط الحالات الكمومية للعديد من الجسيمات على الرغم من المسافة بينها، ويختلف التشابك الكمي مثله مثل الميزات الكمومية الأخرى عن خصائص الكائنات الأخرى في العالم المادي، وبفضل هذه الظاهرة يمكن إنشاء أجهزة حسابية واتصالات جديدة.

من أجل القيام بذلك، يتم أولاً تحديد القوانين الأساسية التي تحدد الجسيمات الكمومية بشكل صحيح، وثانيًا التعلم في كيفية العمل معهم بشكل تجريبي، على سبيل المثال لإثبات التشابك الكمي للجسيمات في تجربة ما يتم التحقق من امتثالها لمتباينات بيل، حيث تسمح هذه بتحديد أي معلمات مخفية في نظام ميكانيكا الكم، والتي تحدد الحالة التي يفترضها أحد الجسيمات إذا انتهكت عدم المساواة.

أهمية الفوتونات المتشابكة

أثرت الأبحاث التي أجراها هؤلاء العلماء بشكل كبير على الحوسبة الكمومية وأجهزة الكمبيوتر الكمومية، على سبيل المثال طور باحثون من الولايات المتحدة والصين بالفعل أجهزة كمبيوتر يمكنها التفاعل في وقت واحد مع عشرات الكيوبتات التي تعتبر الوحدات الأساسية للمعلومات الكمية.

• كم عدد الفوتونات التي يمكن أن تتشابك: تم الكشف عن تشابك يصل إلى 12 فوتونًا باستخدام كل من إيجابية مصفوفة الكثافة المنقولة جزئيًا والمعايير المشتقة حديثًا، علاوة على ذلك تم تقديم أدلة على تشابك ما يصل إلى 100 فوتون.

• كم من الوقت تبقى الفوتونات متشابكة: لا يوجد حد زمني للتشابك بين فوتونين، ولا تزال بعض أزواج الفوتونات المنبعثة منذ مليارات السنين متشابكة؛ لأن أياً من العضوين المتشابكين في الزوج لم يتفاعل مع أي شيء على الإطلاق.

سيتعين على الفيزيائيين اتخاذ خطوات عديدة أخرى في الهندسة من أجل إنشاء حواسيب كمومية لمهام العالم الحقيقي؛ لأن هذه ستحتاج إلى مئات أو حتى آلاف الجسيمات المتشابكة، وفي أفضل سيناريو سيكون هناك أجهزة كمبيوتر كمومية نشطة في المختبرات خلال عشر سنوات.

ومع ذلك من المهم ملاحظة أنه في المستقبل المنظور لن تتحول هذه الأجهزة إلى أدوات منزلية مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة، لكنها ستعمل في المقام الأول في مجال البحث، ولا يزال السؤال مفتوحًا حول ما إذا كانت هذه الأجهزة ستأخذ مسار الإلكترونيات الأخرى وتتطور إلى شيء يتم استخدامه في المنزل يوميًا.

مساهمات الفائزين بجائزة نوبل في الفوتونات المتشابكة

على مدى عقود عمِل العلماء على تطوير أساسيات تقنيات الكم في مهام الهندسة العملية من خلال البحوث النظرية والتجارب، حيث جلبت هذه الأفكار الجديدة تقنيات جديدة، وبناءً على المعلومات الكمية على سبيل المثال كان جون إف كلاوزر أول من أجرى تجارب تثبت انتهاكات عدم المساواة في بيل.

بينما أكد آلان أسبيه النتائج المحققة، ونجح أنطون زيلينجر في إثبات إمكانية النقل الآني الكمي في تجربة موضحًا أن التغيرات في حالة أحد الجسيمات المتشابكة تسبب تغيرات في الثانية في الزوجين، واتضح أن الجسيمات المتشابكة يمكن أن تؤثر على حالة بعضها البعض حتى مع وجود أكثر من ألف كيلومتر بينهما.

لماذا ركزت لجنة نوبل على علم المعلومات الكمومية؟

انتشرت الشائعات حول جائزة نوبل القادمة لشخص ما في مجال المعلومات الكمومية لعدة سنوات، حيث قال البعض إن المختارين سيكونون تشارلز إتش بينيت وستيفن وايزنر مطورو التشفير الكمي، ومع ذلك التزمت اللجنة بتقاليدها واختارت الباحثين الذين كان عملهم أكثر جوهرية في طبيعته.

تُمنح الجائزة عادةً فقط بعد سنوات أو عقود من الاختراق، وعندما يتم قبول تأثيرها وتنفيذها بشكل عام في الحلول التطبيقية، حيث أن ليس الاكتشاف اللحظي هو المهم بل بالأحرى مسار البحث الطويل والمتعرج.

إنشاء فوتونات متشابكة باستخدام ذرات ريدبيرج

تعد أزواج الفوتون المتشابكة مكونًا أساسيًا لاختبار أسس ميكانيكا الكم ولتقنيات الكم الحديثة مثل النقل الآني والتواصل الآمن، وتعتمد أحدث المصادر الحالية على عمليات غير خطية محدودة في كفاءتها وقابلية ضبط الطول الموجي، حيث أن هذا يحفز استكشاف الآليات الفيزيائية لتوليد الفوتون المتشابك مع اهتمام خاص بالآليات التي يمكن التبشير بها ويفضل أن يكون ذلك عند الأطوال الموجية للاتصالات.

نقدم هنا آلية لتوليد فوتونات متشابكة معلنة من الديناميكا الكهربية الكمية لتجويف ذرة ريدبيرج، تم اقتراح مخططًا لتوضيح الآلية وتحديد أدائها المتوقع، حيث إن التبشير بالعملية يتيح الكشف غير المدمر لأزواج الفوتون ويتم إنتاج الفوتونات المتشابكة عن طريق إثارة ذرة الروبيديوم إلى حالة ريدبيرج حيث تتحلل الذرة عبر انبعاث ثنائي الفوتون (TPE).

يساعد حصار ريدبيرج على إثارة واحدة من ريدبيرج، بينما يتم امتصاص حقل الضوء بشكل أكثر كفاءة بشكل جماعي من قبل جميع الذرات، ويتم تحسين معدل (TPE) بشكل كبير من خلال تجويف ضوئي مصمم، والذي يترجم العديد من أصدائه أيضًا إلى تشابك عالي الأبعاد، إذ تتشابك الفوتونات الناتجة ذات الأبعاد العالية المتشابكة في أكثر من درجة واحدة من الحرية في جميع مكوناتها الطيفية.

بالإضافة إلى الاستقطاب تشكل حالة التشابك المفرط، وهو أمر مثير للاهتمام بشكل خاص في الاتصال الكمي عالي السعة المعلوماتية، حيث يتم تمييز حالات مشط الفوتون من خلال تحليل تداخل (Hong-Ou-Mandel) ونقترح تجارب إثبات المفهوم.

تعد أزواج الفوتون المتشابكة مكونًا أساسيًا لاختبار أسس ميكانيكا الكم ولتقنيات الكم الحديثة مثل النقل الآني والتواصل الآمن، حيث تعتمد أحدث المصادر الحالية على عمليات غير خطية محدودة في كفاءتها وقابلية ضبط الطول الموجي.