عاجل | التشابك الكمي يتولد من ضوء الشمس لأول مرة على الإطلاق: ScienceAlert

تشابك يكون واحدة من أفضل الحيل في الصندوق السحري لفيزياء الكم، هناك جسيمان مرتبطان بشكل لا ينفصم عند قياسهما ــ وهو عنصر أساسي للتقدم المحتمل في تقنيات الحوسبة والاتصالات والاستشعار.

لدى العلماء مجموعة متنوعة من الأساليب لإنشاء جسيمات متشابكة، غالبًا باستخدام جسيمات الضوء (الفوتونات). الطريقة القياسية من تشابك الفوتونات هو اطلاق النار أ ليزر عالي الطاقة إلى بلورة تم تكوينها خصيصًا.

إنها طريقة موثوقة وراسخة – وتتطلب أيضًا طاقة، وبالطبع الوصول إلى ليزر متقدم.

الآن قام باحثون من جامعة أوتاوا في كندا ومعهد ماكس بلانك لعلوم الضوء في ألمانيا بما اعتبره البعض مستحيلاً: توليد فوتونات متشابكة من ضوء الشمس.

نشر أعمالهم في بصرييقول الفريق إن الابتكار يمكن أن يؤدي إلى جعل تكنولوجيا التشابك أرخص وأسهل للنشر في “بيئات محدودة الموارد”، بدءًا من محطات الأبحاث البعيدة وحتى الأقمار الصناعية في المدار.

“يظهر عملنا أنه يمكن استخدام مصادر الضوء الطبيعية الوفيرة التشابك الكمي، وفتح إمكانية المزيد من التقنيات الكمومية الموفرة للطاقة والتي يمكن الوصول إليها.” يقول الفيزيائي تشينغ لي، من جامعة أوتاوا.

وقد تشجع الباحثون بالتجارب السابقة التي أظهرت إمكانية وجود الفوتونات المتشابكة التي تنتجها ضوء LED، مما يشير إلى ذلك غير متماسك كان للضوء – الضوء الذي لا يتمتع بتزامن وانتظام أشعة الليزر – القدرة على إثارة هذه العملية.

“حتى أن بعض الباحثين المشهورين عالميًا في هذا المجال تساءلوا عما إذا كان ذلك ممكنًا”.

– الفيزيائي تشنغ لي

تضمن الإعداد التجريبي عدسة فريسنل بحجم النافذة وقمعًا يركز ضوء الشمس المجمع على ألياف بصرية بعرض شعرة الإنسان.

تم بعد ذلك تسليط الضوء المركّز على بلورة للقيام بالتشابك الفعلي.

ولمعالجة الخصائص غير المتماسكة (أو “الفوضوية”) لضوء الشمس، بما في ذلك اتجاهه وطول موجته، ركز الفريق على استقطابه: اتجاه مجاله الكهرومغناطيسي المتذبذب.

من خلال تشابك هذه الخاصية على وجه الخصوص، يضمن الجهاز أن الفوضى المحيطة بالضوء لا تمنع بشكل أساسي تشابك الاستقطاب.

“لقد صممنا إعداداتنا التجريبية بحيث لا تؤثر الاختلافات الناتجة عن الألوان المختلفة واتجاهات الانتشار على استقطاب الفوتونات.” يقول لي.

“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.

“لقد سمح لنا هذا بإنتاج تشابك استقطابي عالي الجودة من أشعة الشمس غير المتماسكة مكانيًا وزمانيًا.”

اجتازت الفوتونات المتشابكة التي أنتجها الفريق العديد من اختبارات فيزياء الكم المهمة.

كانت الجسيمات مشابهة بنسبة 94 بالمائة تقريبًا لحالة التشابك التام، وانتهكت عدم المساواة بيل – علامة قياسية على أن الارتباطات بينهما لا يمكن تفسيرها بالفيزياء الكلاسيكية.

بمجرد إنشاء الفوتونات المتشابكة، يمكنها الاحتفاظ بارتباطها الجوهري حتى عند فصلها بمسافات هائلة. من حيث المبدأ، قد يعني ذلك ربط التلسكوبات العملاقة، على سبيل المثال، أو الاتصالات بينها لا يمكن اعتراضها.

“يمكن لهذه التكنولوجيا في يوم من الأيام أن تمكن الأقمار الصناعية من خلق بيئة آمنة التشفير المفاتيح باستخدام ضوء الشمس الموجود بالفعل في الفضاء، مما يقلل الحاجة إلى أجهزة الليزر الموجودة على متن الطائرة والكثير من الأجهزة الداعمة.” يقول لي.

“إن توليد التشابك الناتج عن ضوء الشمس يمكن أن يوفر أيضًا العنصر الحاسم اللازم لتوسيع نطاقه الحوسبة الكمومية دون إضافة إلى عبء الطاقة.”

يطلق الباحثون على هذا اسم “إثبات المبدأ”: ليس لدينا بعد تشابك كمي يعمل بكامل طاقته ويعمل بضوء الشمس ويمكن شحنه حول العالم أو تعبئته في تكنولوجيا أخرى.

ومع ذلك، فهو إنجاز واعد، باعتباره نوعًا جديدًا تمامًا من مصادر المضخات تشابك الفوتونات. ويقول الباحثون إن جودة التشابك يمكن تحسينها بشكل أكبر، وكذلك السطوع – أي معدل إنتاج الفوتونات المتشابكة.

متعلق ب: قد يكون لدينا بالفعل التلميحات الأولى عن الجاذبية الكمومية – الاختباء على مرأى من الجميع

وهذا أيضًا دليل إضافي على مدى أهمية المثابرة عندما يتعلق الأمر بالعلم في عالم الكم. يمكن في كثير من الأحيان وضع نظريات حول الخطوات الكبيرة إلى الأمام قبل وقت طويل وصول الدليل العملي.

“حتى أن بعض الباحثين المشهورين عالميًا في هذا المجال تساءلوا عما إذا كان من الممكن اكتشاف أي فوتونات – ناهيك عن الفوتونات المتشابكة – من العمليات البصرية غير الخطية التي يحركها ضوء الشمس”. يقول لي.

“لقد وثقنا بحساباتنا، وواصلنا تحسين الإعداد التجريبي، وأظهرنا في النهاية أن ذلك ممكن”.

وقد تم نشر البحث في بصري.