فوتون واحد في كل نبضة: خط تجميع للضوء

الأصل: "A photonic source with half-a-GHz single-photon flux"
arXiv:2609.05387v1 · 2026-09-04 · CC BY 4.0 · 2 دقيقة
نقطة متناهية الصغر داخل بلورة تصدر أكثر من نصف مليار فوتون منفرد في الثانية، ويمكن التقاط كل واحد منها في الألياف البصرية.

في المصنع، يخرج خط التجميع القطع واحدة تلو الأخرى في كل نبضة. إذا كانت النبضة قصيرة والعيوب قليلة، يعمل الخط بسرعة. في البصريات الكمومية، يصنع خط التجميع هذا مصدر فوتونات منفردة: يجب أن يصدر كمًا واحدًا من الضوء بالضبط في كل دورة. جمع فيزيائيون من الدنمارك وألمانيا خط تجميع يعمل 515 مليون مرة في الثانية، ويصل أكثر من نصف الفوتونات إلى نهاية الألياف.

قلب خط التجميع هو نقطة كمومية، وهي جزيرة صغيرة من زرنيخيد الإنديوم داخل زرنيخيد الغاليوم. عندما يصطدم بها نبض ليزري، تمتص الطاقة وبعد 220 بيكو ثانية (أجزاء من المليار من الثانية) تصدر فوتونًا واحدًا. لكي لا تبقى النقطة خاملة، تُقطع نبضات الليزر بتردد يصل إلى واحد جيجاهرتز، أي كل نانو ثانية. ولتحقيق ذلك، يمرر شعاع مستمر عبر بلورتين تفتحان وتغلقان بأمر من شريحة إلكترونية.

لا يوجد هنا مرشح، وهو ما كان سيزيل الأطوال الموجية الزائدة ويفقد جزءًا من الفوتونات. يتم جمع كل الضوء، حتى التوهج الخافت الذي يرافق ولادة الفوتون. الأمر أشبه بقبول كل القطع على خط التجميع، حتى تلك التي بها خدوش صغيرة، لكن دون التخلص من أي شيء.

كفاءة النظام، أي نسبة الفوتونات التي تدخل إلى الألياف البصرية، تبقى أعلى من النصف عند جميع الترددات الثلاثة المختبرة: 56.2% و53.8% و51.5%. نقاء الفوتونات المنفردة تراوح بين 3.63% و11.13%، أي أنه من بين مئة نبضة، لا يصدر سوى عدد قليل فوتونين في نفس الوقت. الأمر الأكثر إثارة للدهشة هو طريقة القياس. تدفق الفوتونات كثيف لدرجة أن قوته يمكن قياسها بمقياس قوة بصرية صناعي عادي. عند تردد جيجاهرتز، بلغت القوة 110 بيكو واط. وهذا أضعف بتسعة ملايين مرة من شعاع مؤشر ليزري، لكن الجهاز يتعامل معه. سابقًا، كان عدّ الفوتونات يتطلب كاشفات فائقة التوصيل تحتاج إلى تبريد إلى ما يقارب الصفر المطلق. الآن يكفي جهاز متوفر تجاريًا خلال ثوانٍ.

خط التجميع الذي يصدر فوتونًا واحدًا في كل نبضة يمكنه اليوم تسريع نقل البيانات المحمي عبر الألياف البصرية، أو أن يكون معيارًا للضوء الخافت في علم القياس. الخطوة التالية هي تقليل عمر النقطة لرفع التردد فوق جيجاهرتز، أو تقسيم التدفق إلى عدة قنوات. يعمل هذا المصدر في درجة حرارة الغرفة ولا يتطلب كاشفات مبردة باهظة الثمن، مما يجعله مرشحًا ليكون حصان العمل لشبكات الكمومية المستقبلية.

القدرة البصرية البالغة 110 بيكوواط صغيرة جدًا لدرجة أن مؤشر ليزر عادي بقدرة 1 ملي واط يصدر فوتونات أكثر بمقدار 9 ملايين مرة في الثانية. ومع ذلك يمكن قياسها بجهاز تجاري في بضع ثوانٍ.

المفاهيم
مصدر فوتون واحد