ضوء مترابط

ثلاثة أصوات تندمج في وتر واحد. في فيزياء المواد الكمومية، يكتسب هذا التعبير معنى حرفيًا: ثلاث طبقات من الغرافين، مفصولة بفواصل رقيقة، تجعل الإلكترونات والثقوب من طبقات مختلفة تتحرك كسائل واحد. مكثف إكسيتوني هو حالة تتدفق فيها أزواج الإلكترون-ثقب دون مقاومة، وقد لوحظ سابقًا فقط في أنظمة ثنائية الطبقة.

تنتقل البيانات عبر الألياف البصرية بسرعة الضوء، لكن الطريق ليس مثاليًا: تتشوش الإشارة مثل الصوت في ممر طويل. كلما زادت السرعة والمسافة، زاد التشوه. عادةً ما تُصحح هذه التشوهات إلكترونيًا، لكن الإلكترونيات لا تستطيع مواكبة الضوء. جمع العلماء حاسوبًا ضوئيًا من عدة ليزرات مترابطة في سلسلة. كل ليزر يعمل كعقدة في شبكة، تصحح الإشارة قليلًا.

في قاعة تضم ألف متفرج، تندمج التصفيقات في ضجيج واحد، لكن بمجرد أن يخرج أحدهم عن الإيقاع، تموج موجة من الاضطراب عبر القاعة. العالم الكمومي مشابه: الذرات المحاصرة قد تتصرف ككل واحد، أو قد تتفرق إلى أفراد مستقلين. لم يكن من السهل رؤية هذا التزامن حتى آخر ذرة — فالمجاهر كانت تُظهر فقط أين تقف الجسيمات، وليس كيف تتناسق اهتزازاتها. الأداة الجديدة تنظر أعمق.

تنظر كاميرا إلى شرارتين بعيدتين. إنهما متقاربتان لدرجة أنهما تندمجان في بقعة ضبابية واحدة. يبدو أن تمييزهما منفصلتين أصبح مستحيلاً — لقد تم تجاوز الحد الكلاسيكي للاستبانة الضوئية. لكن ميكانيكا الكم توحي بأن المجال الضوئي ما زال يحتفظ بسر حول مكان كل شرارة. المعلومات لم تختفِ — إنها فقط مختبئة في بنية البقعة نفسها.

أوركسترا بلا قائد، حيث يسمع الموسيقيون بعضهم البعض عبر جدار مشترك. هذا تقريباً ما يبدو عليه النوع الجديد من الليزر: عدة ذرات (باعثات) موضوعة على طول دليل ضوئي (waveguide) — مسار رفيع للضوء على شريحة. الضوء الصادر من كل ذرة يجري على طول هذا المسار ويؤثر على الجيران. ينشأ عزف جماعي، حيث تبعث الذرات بشكل منسق، مثل أقواس الكمان ترتفع في لحظة واحدة. لكن هناك تفصيل مهم.

بندول يتأرجح من تلقاء نفسه دون أي شد — في العالم الكمومي، تُسمى هذه "البندولات" بالبلورات الزمنية. فيها تنشأ الحركة الإيقاعية تلقائيًا ولا تخمد. لكن حتى الآن، كان التحكم في هذا الإيقاع شبه مستحيل: أي تدخل قد يدمر النظام الهش. في التجربة، استُخدم تجويف متناهي الصغر مصنوع من زرنيخيد الغاليوم والألومنيوم.

المترجم يسجّل محادثة تمتد لساعات. إذا حاول أن يبقي الحوار كاملاً في ذهنه، فسيخطئ في التفاصيل حتمًا في النهاية. هكذا تعمل مراصد الجاذبية تقريبًا: فهي تستمع إلى «حديث» الأجسام الضخمة التي تقترب حلزونيًا.

يبدو الضوء الصادر عن مصباح عادي فوضويًا تمامًا: فموجاته تتأرجح بشكل غير منسق، كحشد يسير كل فرد فيه في اتجاهه الخاص. يُسمى هذا الضوء غير مترابط (incoherent). لفترة طويلة، كان يُعتقد أن البنى الطوبولوجية الأنيقة — كالعُقد والحلقات والتشابكات — لا يمكن إنشاؤها إلا في ضوء ليزر مترابط (coherent)، حيث تسير كل الموجات بتناغم. لكن مؤلفي الدراسة الجديدة أظهروا أنه حتى في الضوء «الفوضوي» يمكن نسج دانتيل بصري حقيقي.

يمكن للضوء أن يكون ليس مجرد شعاع، بل مسطرة فائقة الدقة. إذا أخذنا ومضات قصيرة جدًا — أقصر من رفرفة جناح ذبابة — وأطلقناها تباعًا، نحصل على مشط طيفي: مجموعة ألوان تفصل بينها فترات متساوية تمامًا، مثل أسنان المشط. هذا القوس قزح يسمح بقياس المسافات والزمن وتركيب المواد بدقة لا تُتصور.

صف من الجنود يسير في ساحة العرض. ما دام الجميع يحافظون على الخطوة، تبقى الحركة واضحة ومنسجمة. ولكن بمجرد أن يخطئ أحدهم، يفقد الصف انسجامه. في العالم المجهري، تلعب الإلكترونات دور هذا الصف: عندما تكون اهتزازاتها متزامنة، تصدر المادة خطًا ضيقًا وحادًا. وما أن يختفي التزامن حتى يتلاشى الخط. حتى الآن، كان يُعتقد أن هذا التلاشي هو خاصية للمادة نفسها، مثل الوقت الذي يستغرقه الصف ليتفكك.

يتأرجح البندول بدقة مذهلة، فلو كان يعدّ الثواني منذ الانفجار العظيم، لما أخطأ حتى اليوم سوى نصف ثانية. هذا هو استقرار الليزر فوق البنفسجي المحمول الجديد — قلب ساعات الألومنيوم الذرية. يعمل هذا الليزر كمسطرة فائقة الدقة لقياس تردد الانتقال الذري.

عازفان في غرفتين مختلفتين يعزفان نغمة واحدة. يجب أن يكون الصوت متطابقًا لدرجة أن المستمع لا يستطيع تحديد من يعزف. في العالم الكمومي، يؤدي دور هذين العازفين مصادر الفوتونات المفردة — وهي جسيمات ضوئية يجب أن تكون غير قابلة للتمييز عن بعضها البعض. وبدون ذلك، لا يمكن بناء حاسوب كمومي ولا شبكة اتصالات آمنة.

الليزر العادي يضيء بخطوط ضيقة، مثل وتر يصدر نغمة واحدة فقط. هذا غير مريح للتحليل الطيفي: إذا كانت المادة تمتص الضوء بين الخطوط، فقد لا نلاحظها. ليزر التيراهرتز الكمي المتتالي (quantum cascade laser) هو شريحة شبه موصلة بحجم الظفر، يصدر موجات بتردد من 1 إلى 6 تيراهرتز (تريليونات الاهتزازات في الثانية).

لهب الشمعة يرتجف من تيار الهواء لكنه لا ينطفئ — فاللسان يغير شكله للحظة ثم يعود. تقريبًا هكذا تتصرف السكيرميونات الضوئية الفحص المجهري الضوئي — دوامات صغيرة في مجال الشعاع تشبه الدوامات المائية. حتى وقت قريب، كانت تُنتج فقط في ضوء ليزر مثالي ومستوٍ. أدنى تموج — وتتفكك الدوامة.

يسقط حجر في بركة. تنتشر الدوائر وتخفت — وسرعان ما يعود سطح الماء أملس. لكن ماذا لو لم يكن للبركة شواطئ ولا قاع، ولا حتى حجم مميز للموجة؟ في مثل هذا العالم — عالم بلا مقياس — تعيش الأنظمة الكمومية عندما تحيط بها بيئة لا تميز أي طول أو طاقة. الماء في مثل هذه البركة «يتذكر» دائمًا شكل الحجر، والأمواج لا تهدأ تمامًا أبدًا. أي بيئة من هذا القبيل تؤثر على الجسيم الكمومي بنفس الطريقة: كـ«حمام غير جسيمي».

تتحرك الذرات في الحزمة بسرعات مختلفة، مثل العدائين في الملعب. النبضة الليزرية العادية تدفع فقط أولئك الذين يتحركون بسرعة واحدة، بينما الجديدة تعمل مثل مدرب يعطي أوامر للمجموعة بأكملها في وقت واحد. هذا النهج يُشرك عددًا أكبر من الذرات في القياس. في تجربة باستخدام مقياس تداخل ماخ-تسندر الذري، كان توزع السرعات أكبر بـ 17 مرة من عرض الخط الليزري.

النقطة الكمومية تشبه مصباحًا مفردًا يُضاء ويُطفأ بأمر من الليزر، ويصدر فوتونًا واحدًا بالضبط في كل مرة. لكن لهذا الضوء خصوصية: الفوتونات لا تتفاعل مع بعضها، بل تطير باستقلالية، مثل قطرات عشوائية من صنبور. مرّر العلماء هذا الضوء عبر جهاز من مرآتين وفاصلَي حزمة — مقياس ماخ-تسندر التداخلي.

الضوء العادي يشبه حشدًا في ساحة: كل فوتون يتحرك بمفرده، يتصادم ويتفرق. لكن في بعض الأوساط، تبدأ الفوتونات، كقطيع من الكلاب، بالركض معًا — تتجمّع. ابتكر العلماء ليزرًا على ألياف عشوائية، حيث تتجمع جسيمات الضوء في أسراب كثيفة بشكل خاص. هذه الظاهرة تسمى التجمّع الفائق للفوتونات.

في الرنان فائق التوصيل، لا ينعكس الضوء فحسب — بل يحتضن الكيوبت بقوة بحيث لم يعد من الممكن وصف رقصتهما المشتركة بالكتب المدرسية القديمة. أخذ الباحثون سلكًا نانويًا من زرنيخيد الإنديوم، وصنعوا منه كيوبتًا فائق التوصيل، ووضعوه في رنان ميكروويف.

شعاع الليزر الثابت كوتر مشدود: إذا اهتز قليلًا، تتحول الموسيقى إلى نشاز. في الحاسوب الكمومي، يحبس الليزر الذرات في مصيدة، وأي اهتزاز في التردد يكسر الحساب. لذلك، كانت أنظمة الليزر سابقًا تشغل طاولات كاملة، وكان ضبطها يستغرق أسابيع. الآن، نجحت مجموعة من المهندسين في ضغط كل هذه البصريات في خزانة خادم واحدة — مثل تلك الموجودة في مراكز البيانات.

داخل بلورة نيتريد البورون توجد أحيانًا عيوب — أماكن تكون فيها الذرات مقلوعة أو في غير موضعها الصحيح. أحد هذه العيوب، المركز B، قادر على إصدار الضوء: فهو يمتص الطاقة ويطلقها في صورة فوتون واحد فقط. إنه مثل مصباح صغير جدًا يضيء فقط عندما يُطلب منه، ولا يعطي ضوءًا زائدًا. وجّه العلماء نبضات ليزر قصيرة إلى المركز B ولاحظوا أنه يمكن تحويل العيب بين حالتي «مضيء» و«غير مضيء».

ساعتان في غرفتين مختلفتين يجب أن تدقا بنفس الإيقاع. عادةً، يتم إرسال نبضات ساطعة أو أزواج من الفوتونات تصل الواحدة تلو الأخرى بدقة. لكن الإشارة قد تكون ضعيفة جدًا لدرجة أن الفوتونات بالكاد تصل. في هذا العمل، تمت مزامنة الساعتين بضوء أضعف بمليار مرة من الضوء العادي. التحليل الطيفي ليس له علاقة هنا، لكن الزمن مرتبط بالضوء مباشرة.

الليزر العادي يشبه جوقة يغني فيها كل فرد بمفرده — الصوت عالٍ لكن مع خشونة لا مفر منها. في الليزر الكمومي الجديد، يسمع المغنون بعضهم البعض ويضبطون أصواتهم. هذا التنسيق يقلل من الإنتروبيا (مستوى الفوضى) ويكبت الضوضاء الكمومية — الاهتزاز الحتمي للضوء على المستوى الدقيق.

ضوء الشمس تيارٌ هائج يحمل أزواجًا لا تنفصل من القطرات. هكذا يبدو التشابك الكمي: جسيمان مرتبطان بشدة لدرجة أن اهتزاز أحدهما ينعكس فورًا في الآخر. في السابق، كان إنتاج هذه الأزواج يتطلب ’بركة هادئة‘ – شعاع ليزر مضبوط بدقة.

يشبه ليزر الإلكترون الحر العادي آلة موسيقية ذات وتر واحد: لا يمكنه العزف إلا على نغمة واحدة ما لم تغير بنيته. للحصول على طول موجي مختلف، يتعين إعادة ضبط المغناطيسات أو تسريع الإلكترونات بقوة أكبر. هذا مكلف وضخم. وجد الفيزيائيون في الفريق الذي نشر العمل طريقة لجعل الآلة تعزف النغمات التوافقية — تلك التوافقيات التي تجعل صوت الكمان أكثر ثراءً.

الضوء الصادر من مصباح واحد عادةً ما ينتشر في جميع الاتجاهات، والتقاطه بالتساوي في عدة قنوات يعد لغزاً محيراً. في العمل الجديد، يتم تقسيم الضوء إلى تسعة أشعة متطابقة دون أي عدسة أو مرآة. وبدلاً من ذلك، تُستخدم صفيحة زجاجية ذات مسارات محفورة تعمل كأدلة موجية، ينتشر الضوء عبرها بالطريقة المطلوبة.

في المختبر، على الطاولة، يوجد مصيدة ليزرية — يد غير مرئية تمسك في الهواء كرة زجاجية بحجم بكتيريا. بجانبها تجويف رنان مرآوي، حيث يندفع الضوء بين جدارين عاكسين. جعل العلماء الكرة والضوء يتبادلان التشابك الكمومي: أصبحت حالاتهما مرتبطة بحيث إذا قست أحدهما، عرفت الآخر فورًا. الأمر يشبه راقصين يتحركان بتناغم حتى لو وضعتهما في غرفتين منفصلتين.

ضوء جزيء واحد فقط — مثل صوت منفرد في جوقة ضخمة. لسماعه، لا نحتاج إلى ميكروفون، بل إلى أداة دقيقة تلتقط كل فوتون وتحدد زمن وصوله. هذا بالضبط ما بناه الباحثون: جهاز لا يقيس السطوع واللون فحسب، بل أيضًا مدى تكرار وصول الفوتونات في أزواج — وهذا ما يسمى إحصاء الرتبة الثانية. جزيء IDTBT — سلسلة طويلة من وحدات متناوبة، تشبه السبحة. عندما يُضاء، يمتص الضوء ويعيد إصداره.

الليزر العادي يضخّم الضوء إلى شعاعٍ ساطع. وإذا أدرت هذه العملية بالاتجاه المعاكس، ستحصل على مضادِّ ليزر — وهو جهاز يمتص الضوء دون أن يترك شيئًا. لكن هذه الآلة متقلبة: يكفي اضطرابٌ طفيف ليفشل الامتصاص. وجد الفيزيائيون طريقةً لجعل مضادِّ الليزر منيعًا. فقد بنوه على أساس الحالات الحافّية الطوبولوجية — وهي موجات خاصة تجري على طول حدود المادة فقط ولا تلاحظ العوائق.

مولّف البيانو في قاعة صاخبة لا يستمع إلى كل الأصوات بشكل عشوائي، بل يميز وترًا واحدًا بين عشرات الأوتار. ومهمة مشابهة يحلها الرادار الليزري الجديد: فبين العديد من الأشعة المنعكسة، يجد تلك التي تحمل معلومات عن اهتزاز الهدف. الرادار العادي يرسل نبضة قصيرة وينتظر الصدى. لكن إذا كان الجسم يهتز، فإن الصدى يتشوش.

ليزر الألياف العشوائي بالتغذية الراجعة هو خيط رفيع من الزجاج ينتقل فيه الضوء، لكنه لا ينعكس عن مرايا، بل عن عدم تجانسات دقيقة في الألياف نفسها. لا يُصدر هذا الليزر شعاعًا ثابتًا: فضوءه يرتجف ويومض مثل لهب شمعة في تيار هواء. في دراسة جديدة، تتبع الفيزيائيون بالتفصيل ولأول مرة كيف يرتجف هذا الضوء، واكتشفوا أن إحصاءاته أغنى بكثير من إحصاءات الليزر العادي.

عادةً ما تُحفظ الأجهزة الكمومية في المبرِّدات (cryostats) — وهي ترموسات كبيرة تكون درجة حرارتها أقل من تلك الموجودة في الفضاء الخارجي. أيون الإربيوم، المحبوس في مصيدة صغيرة على رقاقة سيليكون، يكسر هذا التقليد. فهو يعمل مباشرة على الطاولة، في درجة حرارة الغرفة، ويتذكر الحالة الكمومية لنصف ملي ثانية.

مؤشر الليزر يضيء بقعة منتظمة: كل موجات الضوء فيه تسير بتناغم، مثل جنود في عرض عسكري. هذا النوع من الضوء يسمى متماسكًا (coherent). لكن في الطبيعة والتقنية يوجد ضوء آخر — «أشعث»، حيث الموجات غير منسقة، مثل حشد في سوق. يسمى ضوءًا متماسكًا جزئيًا (partially coherent). لفترة طويلة كان يُعتبر مجرد إزعاج، لكن اكتُشف مؤخرًا أنه في بعض خطوط الاتصال يعمل بشكل أفضل من الضوء المنتظم.

داخل تجويف مرآوي صغير، أصغر من سمك الشعرة، يُحبس الضوء وينعكس مرارًا عن الجدران. إذا وُضعت فيه مادة قادرة على امتصاص الضوء وإصداره، تبدأ جسيمات الضوء (الفوتونات) في «الارتداء» بإثارات المادة — وهكذا تولد أنماط بولاريتونية (polaritonic modes). عادةً ما يهيمن على هذا التجويف ضوء متماسك ساطع، يشبه شعاع ليزر قوي.

الشمس بجاذبيتها تخلق «كأسًا» غير مرئي، حيث لا تتناثر المادة المظلمة من نوع خاص — فائقة الخفة — بشكل عشوائي، بل تحتل درجات طاقة صارمة، مثل طبقات سائلة شفافة مختلفة الكثافة. هكذا ينشأ حول الشمس مطياف طبيعي، يفكك المادة غير المرئية إلى مستويات، تمامًا كما تشغل الإلكترونات في الذرة مدارات منفصلة.

يمكن جعل الضوء الصادر من مصدر واحد "يلتقي" بنفسه، فتظهر على الشاشة أهداب — مثل تموجات حجرين أُلقيا في الماء. لطالما أتقن الفيزيائيون فعل ذلك مع فوتونين، لكن جعل أربعة جسيمات ضوئية تندمج في آن واحد كان صعبًا: فقد كانت مصادر الفوتونات المفردة تفقد الكثير من الجسيمات في الطريق.

البوابة الدوارة تسمح بالمرور للأمام فقط دون العودة خطوة واحدة. طبق الفيزيائيون مبدأ مماثل على شريحة شبه موصلة صغيرة للفوتونات المفردة فوتونات - جسيمات الضوء.

عادةً ما ينتشر الضوء العادي في جميع الاتجاهات، لكن الفيزيائيين حولوه إلى ما يشبه السير الناقل — تدفق أحادي الاتجاه لا يرتد للخلف. ولتحقيق ذلك، قاموا بتمرير شعاعين متعاكسين عبر سحابة من ذرات ريدبرج، المتضخمة إلى حجم ذرة غبار صغيرة. يؤدي الاهتزاز الحراري لهذه الذرات العملاقة إلى كسر التناظر، مما يجبر الضوء على التحرك في اتجاه واحد فقط.

ضوء الشمس، الذي جُمع بعدسة فريسنل ومُرر عبر 20 متراً من الألياف البلاستيكية، كانت قدرته 3 ميكروواط فقط، أي أقل بمليون مرة من قدرة مؤشر ليزري نموذجي. كان ذلك كافياً لتوليد أزواج فوتونات مترابطة موضعياً داخل بلورة غير خطية. يمر فوتون واحد من الزوج عبر الجسم، بينما يُمسح الثاني بواسطة كاشف، والتوافقات ترسم الصورة. هكذا يعمل التصوير الكمومي. الشمس هنا مضخة كمومية مجانية.