مُضخِّم الضوء يرى ما هو مخفي سريع
علامة مائية دقيقة على ورق مبلل — وزجاج مُضبَّب أمام العينين. هكذا تبدو تقريبًا مهمة قراءة الحالات الكمومية للضوء: أنماط الفوتونات الرقيقة تتشوه بسبب الفقدان، والكواشف تلتقط جزءًا صغيرًا فقط من الإشارة. النهج المعتاد — التصوير المقطعي المتجانس (homodyne tomography) — يتطلب ظروفًا شبه مثالية، لكن في العالم الحقيقي يخفت الضوء والأجهزة غير كاملة.
يقترح مؤلفو العمل طريقًا مختلفًا. يمرر الضوء عبر مُضخِّم بارامتري حساس للطور (phase-sensitive parametric amplifier) — جهاز يعمل مثل رنان موسيقي. يستجيب فقط للنغمات ذات طور معين، فيجعلها أعلى صوتًا والضوضاء أكثر هدوءًا. الإشارة المُضخَّمة تُقاس بمقياس قدرة بسيط، مثل مقياس لوكس منزلي، لكن للضوء الكمومي. ثم خوارزمية رياضية، تشبه حل لغز بقطع ناقصة، تستعيد النمط الأصلي. الطريقة لا تخاف من الفقدان وتعمل حتى مع كواشف متوسطة الجودة.
اختبر الباحثون نهجهم على ثلاثة أنواع من الحالات: فوتونات مفردة، و«قطط شرودنغر» (نبضات ضوئية موجودة في طورين في آن واحد)، وحالات GKP — «أمشاط» غريبة من القمم، وهي مقاومة بشكل خاص للأخطاء. في جميع الحالات، أعادت الخوارزمية بناء شكل الحالة بدقة، بل وقاست درجة عدم كلاسيكيتها — ما يسمى بالرتبة النجمية (stellar rank) وسلبية دالة فيجنر (Wigner function). هذه الكميات تُظهر مدى اختلاف الحالة عن شعاع الليزر العادي.
القيمة العملية للطريقة هي أنها تجمع ثلاث مهام في مخطط تجريبي واحد: القياس مع الفقدان، واستعادة الحالة، والتحقق من عدم كلاسيكيتها. لا حاجة لإعادة بناء الجهاز أو تغيير الكواشف. الأمر كما لو أن جهازًا واحدًا يمكنه الاستماع إلى الموسيقى، وتحديد النغمات، وتقييم مهارة العازف. بالنسبة للتقنيات البصرية الكمومية، يعني هذا النهج تحققًا أسرع وأرخص من الحالات المعقدة اللازمة للحسابات والاتصالات الآمنة. يصبح الماء على الورق مرئيًا حتى لو كان الزجاج أشد ضبابية من المعتاد.
يمكن وصف شعاع الليزر العادي كموجة مع ارتجافات عشوائية صغيرة. لكن إذا ضغطت هذه الارتجافات إلى أقصى حد في اتجاه واحد، فإنها ستزداد حتمًا في اتجاه آخر — هذا هو مبدأ عدم اليقين الكمومي. هذا الضغط بالتحديد هو ما يُستخدم في المُضخِّمات البارامترية لإخفاء الضوضاء حيث لا تعيق القياس.
في رواية «الظلال والنور» (Light and the Shadow) لتيد تشانغ، يستخدم البطل الحالات الكمومية للضوء للتواصل مع نسخ موازية من نفسه. الطريقة الموصوفة هنا يمكن أن تكون أداة للتحقق من عدم اختلاط «ظلال» غريبة في الإشارة.