في خطوة جديدة نحو تطوير التكنولوجيا الكمومية، اكتشف الباحثون إمكانية استخدام ضوء الشمس لتوليد فوتونات متشابكة، مما يفتح آفاقًا جديدة في هذا المجال.
استخدام ضوء الشمس لتوليد التشابك الكمي
نظرة مستقبلية: تم استخدام ضوء الشمس لتوليد أزواج من الفوتونات المتشابكة، مما يوفر نظرة مبكرة على كيفية تقليل التكنولوجيا الكمومية اعتمادها على الليزر الذي يستهلك الطاقة بشكل كثيف. استخدم الباحثون في جامعة أوتاوا ومعهد ماكس بلانك لعلوم الضوء في إيرلانجن، ألمانيا، ضوء الشمس المركّز لإنتاج فوتونات متشابكة، وهي ضرورية للعديد من أنظمة الحوسبة الكمومية الضوئية والاتصالات الكمومية.
نتائج البحث
لا تشير الأبحاث، التي نُشرت في مجلة Optica، إلى أن ضوء الشمس يمكن أن يحل محل مصادر الكم القائمة على الليزر. تظل تلك الأنظمة أكثر دقة وتنتج نتائج أقوى. ولكن الدراسة تُظهر أن الضوء المستخدم لإنشاء فوتونات متشابكة لا يجب بالضرورة أن يأتي من ليزر، مما يتحدى الافتراض القديم بأن ذلك هو الحال.
ما هي الفوتونات المتشابكة؟
الفوتونات المتشابكة هي أزواج من جزيئات الضوء ذات خصائص كمومية مرتبطة. يمكن أن تكشف قياس واحدة من الجزيئات عن معلومات حول القياس المقابل للأخرى، حتى عندما تكون الجزيئتان مفصولتين. تجعل هذه السلوكيات الفوتونات المتشابكة مفيدة للتشفير الكمومي وأشكال أخرى من معالجة المعلومات الكمومية.
العملية التقليدية
تولد معظم الأنظمة هذه الأزواج من خلال عملية الانقسام البارامتري العفوي. في هذه العملية، يضيء ليزر من خلال بلورة خاصة، مما ينتج فوتونات ذات خصائص كمومية مرتبطة. لقد فضل الباحثون الليزر لأنه يولد ضوءًا متماسكًا، مما يعني أن الموجات تحافظ على طور ثابت وعادة ما تعمل ضمن نطاق ضيق من الأطوال الموجية.
التحديات مع ضوء الشمس
ضوء الشمس ليس متماسكًا. يحتوي على العديد من الأطوال الموجية ويصل إلى الأرض من اتجاهات مختلفة، مما يجعله يبدو كمرشح غير محتمل لتوليد فوتونات متشابكة.
تجارب سابقة
استكشف الباحثون في أوتاوا وماكس بلانك هذا السؤال من خلال العمل النظري والتجارب باستخدام مصابيح LED. اقترحت أعمالهم أن الضوء غير المتماسك يمكن أن يولد التشابك إذا لم تكن الخاصية الكمومية ذات الصلة تعتمد على طول الموجة أو الاتجاه.
الإعداد التجريبي
لإجراء الاختبار الشمسي، احتاج الباحثون إلى تركيز ضوء الشمس بشكل كافٍ لتوجيهه إلى بلورة صغيرة. قام فريق هانيه فتاحي في معهد ماكس بلانك ببناء مكثف زجاجي على شكل مخروط يجمع الضوء من عدسة فريزل بحجم نافذة ويوجهه إلى ألياف بصرية رفيعة.
نتائج الاختبار
اختبر الفريق النظام في الهواء الطلق في المعهد على مدى ثلاثة أيام. حققت أزواج الفوتونات الناتجة حوالي 94% من الدقة مع حالة متشابكة مثالية. كما انتهك التجربة عدم المساواة لبيل، وهو اختبار يساعد في تحديد ما إذا كانت الارتباطات بين الجسيمات كمومية حقًا بدلاً من أن تكون قابلة للتفسير من خلال الفيزياء الكلاسيكية.
التحديات المستقبلية
كانت انتهاكات بيل محدودة، وأرجع الباحثون ذلك جزئيًا إلى ضعف ضوء الشمس الموسمي والسحب العابرة. كما أن جودة التشابك لم تتطابق مع أفضل النتائج من الأنظمة المدفوعة بالليزر. قال تشينغ لي، الذي شارك في قيادة البحث كطالب دراسات عليا في جامعة أوتاوا والآن في مختبر لورانس بيركلي الوطني، إن النقص كان على الأرجح بسبب تشوهات في المكونات البصرية بدلاً من طبيعة ضوء الشمس نفسه.
الآفاق المستقبلية
قال لي إن الأنظمة الفضائية يمكن أن تستخدم يومًا ما ضوء الشمس المتاح بالفعل في المدار لإنتاج مفاتيح التشفير الكمومي. لا تزال الفكرة بعيدة عن التنفيذ، لكن التجربة تشير إلى نهج مختلف لبناء البنية التحتية الكمومية.
الآن، يعمل الباحثون على تحسين سطوع المصدر وجودة التشابك. يمكن أن يُستخدم نظام أكثر قدرة في النهاية خارج المختبر، بما في ذلك في المواقع النائية أو على الأقمار الصناعية.
تُعتبر هذه الآفاق جزءًا من جاذبية التكنولوجيا. تتطلب الأنظمة القائمة على الليزر الكهرباء، والتثبيت، والتبريد، بينما تُفقد الكثير من طاقتها كحرارة. يمكن أن يلغي مصدر الطاقة مباشرة من ضوء الشمس خطوة التحويل من الكهربائية إلى البصرية.
الخاتمة
تُظهر هذه الدراسة أن هناك طرقًا جديدة ومبتكرة لتوليد التشابك الكمي، مما قد يفتح آفاقًا جديدة في عالم التكنولوجيا الكمومية.
تُعتبر هذه النتائج خطوة مهمة نحو تقليل الاعتماد على مصادر الطاقة التقليدية، مما قد يؤدي إلى ابتكارات جديدة في عالم التكنولوجيا الكمومية.
