ضوء حسب الطلب: كيف تضبط مصدر فوتونات على شريحة سريع
لو أمكن تعبئة الضوء في زجاجات، لحصل العلماء على خط إنتاج مثالي: كل زجاجة تحتوي فوتونًا واحدًا بالضبط، دون أي قطرات زائدة. هذه الجسيمات الضوئية المفردة ضرورية للحواسيب الكمومية والاتصالات الآمنة: فهي تحمل معلومات لا يمكن التنصت عليها دون أن يُكتشف الأمر. لكن إصدار الفوتونات واحدًا تلو الآخر وفي الوقت المحدد مهمة أصعب مما تبدو.
داخل الشريحة الفوتونية تعمل حلقة متناهية الصغر — مثل مضمار سباق دائري للضوء. يدخل شعاعا ليزر إلى الحلقة، يتصادمان، وأحيانًا — نادرًا جدًا — يولدان زوجًا من الفوتونات الجديدة: أحدهما إشارة، والآخر للعمل. يخرج فوتون الإشارة فورًا ويقول: «جاهز، خذه». وينطلق فوتون العمل في مهمته. المشكلة أن الأزواج عادة إما قليلة، أو أن الإشارات كثيرًا ما تخدع.
وجد مؤلفو العمل الحل الوسط الأمثل. لقد غيّروا تدريجيًا «عرض البوابة» — أي قوة اقتران الحلقة بالألياف الضوئية الموصلة — وراقبوا عدد الأزواج المتولدة ومدى دقة الإشارة. واتضح أن إدخال الضوء بحرية أكبر قليلًا مما هو مطلوب للحد الأقصى من الأزواج يرفع عداد الأزواج إلى أكثر من 93 ألفًا في الثانية. أما إذا فُتحت البوابة بشكل شبه كامل، تصبح الإشارة صادقة في 97.87% من الحالات. هذا مثل ضبط صنبور بحيث يتدفق الماء بتيار قوي دون رذاذ.
مصدر الضوء هذا يشبه آلة مصنع مضبوطة بدقة: ينتج قطعة بعد قطعة، دون عيوب تقريبًا. في المستقبل، يمكن تجميع حواسيب كمومية كاملة على هذه الشرائح، حيث يكون كل فوتون بمثابة ساعي بريد موثوق يحمل رسالة سرية.
عداد التوافقات في التجربة التقط أكثر من 93,000 زوج فوتوني في الثانية — وكأن 93 ألف مصباح كهربائي يُضاء ويُطفأ كل ثانية، وكل ومضة تكون مفردة تمامًا.