العلماء يحولون ضوء الشمس إلى تشابك كمي

نجح العلماء في تحويل ضوء الشمس العادي إلى مصدر للتشابك الكمي، مما فتح طريقًا مفاجئًا نحو تكنولوجيا كمومية أكثر كفاءة في استخدام الطاقة.

تعتمد التقنيات الكمومية غالبًا على أشعة الليزر القوية التي تستهلك كميات كبيرة من الطاقة. ومع نمو هذه الأنظمة بشكل أكبر وأكثر انتشارًا، يمكن أن تصبح احتياجاتها من الطاقة مصدر قلق متزايد الأهمية. الآن، أثبت الباحثون أن ضوء الشمس نفسه يمكن استخدامه لتوليد التشابك الكمي بين الفوتونات، مما قد يوفر بديلاً أكثر كفاءة في استخدام الطاقة.

قال تشينغ لي، وهو خريج حديث من جامعة أوتاوا في كندا: “إن التشابك الكمي أمر بالغ الأهمية لتطبيقات مثل الاتصالات الآمنة والاستشعار فائق الدقة والحسابات عالية الأداء”. “يُظهر عملنا أنه يمكن استخدام مصادر الضوء الطبيعية الوفيرة في التشابك الكمي، مما يفتح إمكانية استخدام تقنيات كمومية أكثر كفاءة في استخدام الطاقة ويمكن الوصول إليها.”

نشرت في بصري، مجلة Optica Publishing Group للأبحاث عالية التأثير، وجدت الدراسة أن ضوء الشمس يمكن أن ينتج تشابكًا مشابهًا للطرق المعتمدة على الليزر بمجرد أخذ الاختلافات في عرض النطاق الترددي للضوء الوارد في الاعتبار. جمع هذا العمل بين التقدم النظري الذي قدمه فريق روبرت بويد في جامعة أوتاوا ومكثف الطاقة الشمسية الجديد الذي أنشأه فريق هانية فتاحي في معهد ماكس بلانك لعلوم الضوء (MPL) في ألمانيا.

وقال لي، المؤلف الأول للورقة البحثية: “يمكن لهذه التكنولوجيا في يوم من الأيام أن تمكن الأقمار الصناعية من إنشاء مفاتيح تشفير آمنة باستخدام ضوء الشمس الموجود بالفعل في الفضاء، مما يقلل الحاجة إلى أشعة الليزر الموجودة على متنها والكثير من الأجهزة الداعمة”. “يمكن أن يوفر توليد التشابك الناتج عن ضوء الشمس أيضًا العنصر الحاسم اللازم لتوسيع نطاق الحوسبة الكمومية دون زيادة عبء الطاقة.”

إعادة النظر في الضوء اللازم للتشابك الكمي

لقد اعتقد العلماء تقليديًا أن إنشاء الارتباطات القوية اللازمة لتشابك الفوتون يتطلب ضوءًا متماسكًا. في الضوء المتماسك، تظل الموجات متزامنة، وتتبع قممها وأوديةها علاقة يمكن التنبؤ بها. لذلك يتم استخدام الليزر بشكل شائع لأنه ينتج ضوءًا متماسكًا للغاية يتركز حول لون واحد.

لقد تحدى بحث سابق أجراه فريق بويد هذا الافتراض. تنبأ الباحثون نظريًا ثم أثبتوا تجريبيًا أن الضوء غير المتماسك يمكن أيضًا أن يولد التشابك الكمي. باستخدام LED، الذي ينتج ضوءًا غير متماسك، نجحوا في إنشاء فوتونات متشابكة بالاستقطاب.

أظهر هذا العمل أن الضوء لا يجب أن يكون منظمًا في جميع النواحي حتى يحدث التشابك. على سبيل المثال، يمكن للفوتونات أن تنتقل في اتجاهات غير منظمة بينما تظل متشابكة من خلال خاصية أخرى، مثل الاستقطاب.

الجديد بصري تدفع الدراسة هذا المفهوم إلى أبعد من ذلك عن طريق استبدال مصابيح LED بأشعة الشمس. ويمثل ضوء الشمس تحديا أكبر لأنه ينتشر في اتجاهات عديدة ويحتوي على مجموعة واسعة من الألوان.

خلق الفوتونات المتشابكة من ضوء الشمس

لتوليد التشابك، استخدم الباحثون التحويل البارامتري التلقائي (SPDC)، وهي عملية بصرية راسخة تتضمن بلورة غير خطية. عندما يتفاعل شعاع المضخة مع البلورة، يمكن للفوتونات الفردية أن تنقسم إلى أزواج قد تصبح متشابكة كميًا.

عادة، يأتي شعاع المضخة من الليزر. في هذه التجربة، استخدم الفريق بدلاً من ذلك ضوء الشمس الذي كان مستقطبًا بقوة بينما ظل غير متماسك إلى حد كبير عبر المكان والزمان. وهذا يعني أن مجال الضوء الإجمالي يتأرجح في نفس الاتجاه على الرغم من احتوائه على فوتونات متعددة الألوان تنتقل عبر مسارات مختلفة.

قال لي: “لقد صممنا إعداداتنا التجريبية بحيث لا تؤثر الاختلافات الناتجة عن الألوان المختلفة واتجاهات الانتشار على استقطاب الفوتونات”. “كما تتنبأ نظريتنا، إذا كان التشابك يعيش فقط في الاستقطاب، فيجب أن يعتمد فقط على انتظام المضخة في اتجاه تذبذبها وليس على اتجاهها أو لونها. وقد سمح لنا هذا بإنتاج تشابك استقطابي عالي الجودة من أشعة الشمس غير المتماسكة مكانيًا وزمانيًا”.

تركيز ضوء الشمس على بلورة صغيرة

كان التحدي العملي الرئيسي هو تركيز ما يكفي من ضوء الشمس على بلورة غير خطية لا يتجاوز حجمها بضعة ملليمترات.

للتغلب على هذه المشكلة، قام فريق فتحي في MPL بتطوير مكثف شمسي مصنوع من الزجاج بالكامل. يقوم الجهاز ذو الشكل المخروطي بجمع ضوء الشمس المجمع بواسطة عدسة فريسنل بحجم نافذة منزلية تقريبًا وتوجيهه إلى ألياف بصرية رقيقة مثل شعرة الإنسان تقريبًا. ومن هناك، يمكن تركيز الضوء المركز على البلورة الصغيرة غير الخطية المسؤولة عن توليد التشابك.

وضع التشابك القائم على ضوء الشمس تحت الاختبار

اختبر الباحثون نهجهم في تجربة خارجية في MPL. استخدموا التصوير المقطعي للحالة الكمومية لتحليل الحالة الكمومية الناتجة عن الإعداد ووجدوا أن التشابك الناتج عن ضوء الشمس كان مشابهًا بنسبة 94٪ تقريبًا لحالة التشابك التام.

أظهرت الفوتونات أيضًا ارتباطات تنتهك متباينة بيل. لا يمكن تفسير مثل هذه الارتباطات من خلال الفيزياء الكلاسيكية، مما يوفر دليلاً على أن الفوتونات كانت متشابكة كميًا حقًا.

ومع إثبات المبدأ الآن، يعمل الباحثون على إنشاء نظام يمكن نشره في نهاية المطاف خارج المختبر. وتشمل خطواتهم التالية زيادة سطوع النظام وتحسين جودة التشابك الذي يولده.

ويشير الباحثون أيضًا إلى أن المفهوم قد يمتد إلى ما هو أبعد من SPDC. من المحتمل أن تستخدم تقنيات بصرية غير خطية أخرى، بما في ذلك المزج رباعي الموجات، أساليب مماثلة، مما يفتح إمكانيات إضافية للضوئيات الكمومية.

فكرة الكم التي واجهت الشكوك المبكرة

ويقول الباحثون إن المشروع قوبل في البداية بقدر كبير من التشكيك، لأن ضوء الشمس بدا وكأنه مصدر غير محتمل لإنتاج تأثيرات كمومية مفيدة.

قال لي: “منذ بداية هذا المشروع، واجهت فكرتنا شكًا متكررًا ومعارضة”. “حتى أن بعض الباحثين المشهورين عالميًا في هذا المجال تساءلوا عما إذا كان من الممكن اكتشاف أي فوتونات -ناهيك عن الفوتونات المتشابكة- من العمليات الضوئية غير الخطية التي يحركها ضوء الشمس. ومع ذلك، فقد وثقنا بحساباتنا، وواصلنا تحسين الإعداد التجريبي، وأظهرنا في النهاية أن ذلك ممكن”.

المرجع: “توليد التشابك الكمي من ضوء الشمس” بقلم تشينغ لي، وجاسفندر برار، ومايكل كوبلبوك، وجيريمي أبهام، وهنية فتحي، وروبرت دبليو بويد، 19 أغسطس 2026، بصري.
دوى: 10.1364/أوبتيكا.601797

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.