توليد فوتون مفرد مُبشّر

المترجم في قاعة المحكمة يجب أن ينقل كل كلمة دون أن يشتت انتباهه بضوضاء القاعة. في العالم الكمومي، يلعب الرنان فائق التوصيل دور هذا المترجم، إذ يجب أن يفقد الفوتونات وفق جدول زمني صارم، دون أن ينحرف بتأثيرات دخيلة. سابقًا، كان يُستخدم الضخ الميكروويفي، لكنه هو نفسه كان يسبب تشويشًا، كما لو أن المترجم بدأ يصرخ بتعليقات الجمهور. الآن وجد العلماء طريقة أكثر هدوءًا.

تحت المجهر الإلكتروني، يظهر البروتين كسلسلة من الظلال الضبابية — مئات الآلاف من الصور لنفس الجزيء، ملتقطة من زوايا مختلفة ومثقلة بضجيج قوي. كان النهج الكلاسيكي يعيد أولاً بناء «ضباب» حجمي من هذه الظلال — خريطة لتوزيع الجهد الكهروستاتيكي داخل البروتين. ثم، بالتحديق في هذا الضباب، مثل نحات في كتلة رخام، كان الباحثون يقطعون نموذجًا ذريًا يدويًا أو شبه تلقائيًا. الطريقة الجديدة تعمل بشكل مختلف.

تسجيل الضوء فوتونًا فوتونًا يشبه سماع همس في ورشة صاخبة. الكاميرا ذات المضاعفة الإلكترونية (EMCCD - Electron Multiplying Charge-Coupled Device) قادرة على ذلك تمامًا: فهي تحول الفوتون الوحيد الذي يدخل البكسل إلى انهيار إلكتروني يمكن قياسه. تُثبت هذه الكاميرات على التلسكوبات لرصد كوكب خافت بجانب نجم ساطع. لكن للانهيار ثمن.

في صفٍّ متقارب من الذرات، تصطف على مسافات أصغر من طول موجة الضوء، تكمن حالة مدهشة. يتوزع الإثارة على جميع الجسيمات بحيث يلغي إشعاعها نفسه بنفسه — هذه حالة دون إشعاعية، "صمت" كمومي جماعي. إنها خزنة مثالية لـ فوتون — كمية الضوء: يمكن أن يبقى فيها أطول بمئات المرات من المعتاد.

غشاء رقيق من ثنائي كبريتيد الموليبدينوم — بسمك أقل من ميكرون — يعمل كمصنع مصغر لأزواج الفوتونات، مدمج مباشرة في موصل ألياف بصرية. الألياف البصرية العادية ليست مجرد خيط زجاجي للإنترنت. في الشبكات الكمومية، يمكن أن تصبح قناة لنقل الارتباط الخفي بين الجسيمات، والذي يُسمى التشابك.

في إطار النموذج القياسي — وصفنا الأكثر اكتمالاً للعالم دون الذري — تكون الشحنة الكهربائية دائمًا مضاعفًا لشحنة الإلكترون: فالطبيعة تتعامل بوحدات صحيحة، مثل بنّاء يستخدم طوبًا بمقاس محدد بدقة. ومع ذلك، تسمح المعادلات بوجود جسيمات ذات شحنة مزدوجة — وهي البيلبتونات.

يضرب الليزر هدفًا من أسلاك رفيعة — وخلال عشرات الفيمتوثواني (أجزاء من مليار جزء من المليار من الثانية) يقذف منها تيارًا من البروتونات. تدخل هذه البروتونات إلى محوّل من الليثيوم والديوتيريوم، حيث تولد النيوترونات. في تجربة باستخدام ليزر بقدرة بيتاواط واحد (مليون مليار واط)، حصلوا على ما يصل إلى ثمانية ملايين نيوترون لكل جول من طاقة الليزر.

الألماس هو أصلب مادة طبيعية، وعادةً لا يوصل الكهرباء. لكن إذا أضفنا إلى شبكته البلورية بعض الذرات الغريبة، يمكن أن يصبح شبه موصل، مثل السيليكون في رقائق الحاسوب.

الضوء الصادر من مصباح أو حتى من ليزر عادي يشبه حشدًا عند مخرج مترو الأنفاق: الناس يسيرون بشكل غير منتظم، تارة كثيفًا وتارة خفيفًا. يطلق الفيزيائيون على هذا السلوك اسم الضوضاء الحبيبية (shot noise) — وهي تقلبات عشوائية في عدد الجسيمات القادمة في الثانية.

مصباح لا يصدر الضوء كتدفق مستمر، بل كقطرات منفصلة — فوتونات. تسمى هذه المصادر "القطرية" بالباعثات المفردة (single-photon emitters). وهي ضرورية للاتصالات الكمومية، حيث يحمل كل فوتون بتًا من المعلومات، وللقياسات فائقة الدقة.

في المسرّع الضخم، تصطدم الجسيمات ببعضها البعض، وأحيانًا لا يتبقى بعد الاصطدام سوى فوتونين — جسيمَي الضوء. يعرف الفيزيائيون كيفية التنبؤ بعدد مرات حدوث ذلك، لكن حساباتهم ظلت لفترة طويلة لا تتوافق مع ما تراه الكواشف. كل تحسين في النظرية كان يغيّر الإجابة، ولم يكن هناك اتفاق. قام مؤلفو العمل الجديد بخطوة إضافية في الدقة — أضافوا إلى الحساب المستوى التالي من التصحيحات.

يقطع ضوء النجوم البعيدة ملايين السنين، لكن الأشعة السينية لا يمكن التقاطها بالزجاج العادي — فهي تخترقه كما تخترق الرصاصة الورق. لذلك تحتاج تلسكوبات الأشعة السينية إلى عدسات خاصة: أكوام من المنشورات الصغيرة التي تحرف الأشعة بانحراف لطيف وتجمعها في نقطة واحدة.

في النظام الثنائي الدجاجة X-3، الذي يقع في مجرتنا، يدور ثقب أسود ونجم عملاق بجوار بعضهما بإحكام لدرجة أن النجم يفقد مادته — التي تحملها رياح قوية. تنطلق تيارات من محيط الثقب الأسود؛ وقد التقط تلسكوب مؤخرًا فوتونات منها، كل منها يحمل طاقة بعوضة طائرة.

الضوء في الألياف البصرية هو تدفق من الفوتونات، وللاتصالات الكمومية نحتاج فوتونات مفردة يمكن إرسالها واحدًا تلو الآخر. لكن جعلها تنطلق بسرعة وتكون في نفس الوقت غير قابلة للتمييز عن بعضها البعض مهمة صعبة. في العمل الجديد، أخذ الفيزيائيون نقطة كمومية شبه موصلة - بلورة صغيرة تعمل كمصيدة للإلكترونات - ووضعوها في مرنان دقيق.

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.

المصباح العادي ينثر الضوء في كل الاتجاهات، ومن المستحيل التنبؤ بلحظة انطلاق الفوتون التالي. أما التقنيات الكمومية فتحتاج ضوءًا مختلفًا تمامًا — فوتونات مفردة تظهر واحدًا تلو الآخر بدقة، مثل الرسائل التي تخرج من شق صندوق البريد. لقد تعلم الفيزيائيون صنع مثل هذه الفوتونات في الألياف الضوئية — تلك التي تلف المدن بالفعل من أجل الإنترنت.

يسقط الضوء على غشاء رقيق، فينشأ فيه فورًا تيار كهربائي. هكذا يعمل زوج من مادتين: ثنائي كبريتيد الموليبدينوم والكوبالت. الأولى شبه موصل (semiconductor)، والثانية مغناطيسية. وبينهما، كما تبيّن، تولد طبقة وسيطة غير مرئية.

يضرب ليزر قوي شبه الموصل، فيستجيب بضوء بترددات متعددة — مثل وتر يصدر جوقة من النغمات التوافقية. استُخدم هذا سابقًا في التحليل الطيفي لمراقبة العمليات فائقة السرعة. لكن الفيزيائيين لاحظوا الآن: النغمات التوافقية ليست مستقلة، بل تتصرف وكأنها مربوطة بخيوط غير مرئية.

النقطة الكمومية بحجم بضعة آلاف من الذرات تومض مثل مصباح معطل. تارة تتوهج بشدة، وتارة تكاد تنطفئ. كان يُعتقد سابقًا أنها في اللحظات المظلمة تصدر ليس فقط فوتونات مفردة، بل أيضًا أزواجًا إضافية — وهذا عيب في الاتصال الكمومي. أظهرت قياسات جديدة على نقاط فردية العكس: في بعض النقاط، في الحالة الخافتة، يكون عدد الفوتونات الإضافية أقل. الفوتون المفرد يشبه ساعيًا يحمل حقيبة فريدة.

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.

حزمة الضوء، عند مرورها عبر قطعة زجاج، عادةً ما تنحني قليلًا فقط. لكن إذا نُقشت داخل الزجاج بالليزر أنماطٌ دقيقةٌ للغاية، يمكن إجبار الضوء على التفكك إلى حزمٍ منفصلة، كما يتفرق الضوء الأبيض إلى قوس قزح بعد المطر. هذا بالضبط ما حققه الباحثون: لقد صنعوا محوّل ضوءٍ مصغّرًا بحجم حبّة ملح — يبلغ طوله ثلث المليمتر فقط. داخل الصفيحة الزجاجية، رسم الليزر عدة طبقات من الأخاديد المجهرية.

تدخل نبضة ليزر إلى تجويف صغير جدًا مصنوع من بلورة شفافة. داخل التجويف، يرتد الضوء بين المرايا، وأحيانًا ينقسم فوتون واحد إلى زوج: أحدهما يتجه في اتجاه، والآخر في اتجاه آخر. يصبح أحدهما إشارة، بينما يعمل الآخر بمثابة "جرس" يخبرنا بأن الفوتون المفرد جاهز. هذا المصدر لا يُصدر الفوتونات وفق جدول زمني، لكنه يخبرنا بدقة متى ظهر الفوتون المفرد.

ورقة أشباه الموصلات فائقة الرقة تشبه غشاء فقاعة الصابون، لكنها مكوّنة من ذرات التنغستن والسيلينيوم. إذا وخزتها بإبرة ألماس حادة، تظهر عيوبٌ صغيرةٌ جدًا في ذلك الموضع. عند درجات الحرارة المنخفضة، تبدأ هذه العيوب بالتوهج — ولكن ليس بتدفقٍ متواصل، بل بفوتونٍ واحدٍ في كل مرة.

الطابعة ثلاثية الأبعاد العادية تبث البلاستيك مثلما يبث الحلواني الكريم من كيس التزيين. هنا، بدل البلاستيك، نستخدم الضوء. شعاع ليزر يرسم داخل راتينج سائل، فيجعله يتصلب في النقاط المطلوبة. هكذا تولد أجزاء لا يمكن رؤيتها بدون مجهر. حتى الآن، كانت هذه الطابعات تعمل ببطء: كان الشعاع يزحف على السطح مثل قلم على الورق. الآلة الجديدة تغير قواعد اللعبة. إنها تعرض صورة كاملة دفعة واحدة، مثل جهاز عرض في السينما.

الاتصال الكمومي عبر القمر الصناعي يشبه تبادل الإشارات بين منارتين بعيدتين: يجب أن يصطدم الشعاع بالكاشف بدقة، وإلا فلن يمكن قراءة الرسالة. لكن في الفضاء، كل شيء يهتز — ضوء الشمس يسخن الهيكل، والمحركات تسبب اهتزازات، والبصريات الحساسة تنحرف عن محورها. عندها يتوقف المصدر عن إنتاج أزواج الفوتونات المتشابكة اللازمة للتشفير.

شعاع مصباح يدوي في الضباب يرسم مخروطًا، لكنه لا يستطيع نحت تمثال من سحابة. أما الهولوغرام فهو كالاستنسل للضوء: يعرف مسبقًا أين يتجمّع في نقاط مضيئة وأين يبقى ظلًّا. الآن هذا الاستنسل يجعل الراتنج السائل يتصلّب في كامل الحجم دفعة واحدة، دون طباعة طبقةً بطبقة. المشكلة أن الضوء في الراتنج يتشتّت، والتفاعل الكيميائي للتصلّب ينتشر كقطرة حبر على ورق مبلول.

تولد ذرة فضة صغيرة في شعاع الليزر وتبدأ فوراً في النمو — أسرع من طرفة عين. المجهر العادي لا يواكب هذه السرعة، لذلك لم يرَ أحد حتى الآن كيف يظهر الجسيم النانوي ويكبر. الآن أصبح لدى العلماء أداة تصور هذا «الفيلم» إطاراً بإطار. جمع الباحثون بين ليزر يطلق نمو الجسيمات ومجهراً ذرياً فائق السرعة. هذا الجهاز يتحسس السطح بإبرة حادة، مثل إصبع يقرأ طريقة برايل، لكن أسرع بملايين المرات.

ضوء المصباح العادي هو فوضى: فوتونات تتطاير في كل اتجاه دون أي نظام. لكن إذا جعلت العديد من الذرات تصدر الضوء في وقت واحد وبإيقاع متناسق، تحصل على وميض قصير قوي — مثل تصفيق يتحول من تصفيقات فردية إلى هتاف واحد. هذا الإشعاع المتناسق يسمى الإشعاع الفائق (superradiance). ومن الصعب الحصول عليه: يجب أن تكون الذرات قريبة جدًا من بعضها لتشعر بجيرانها.

الضوء، عند مروره عبر لوحة منقوشة، يتجمع داخل سائل شفاف ليشكل نمطاً حجمياً. حيث يكون الضوء أكثر سطوعاً، يتصلب الراتنج. بعد 7.5 ثانية، تُسحب القطعة النهائية من السائل — بتجاويفها وقنواتها ونتوءاتها الدقيقة. الطابعة ثلاثية الأبعاد التقليدية تطبع نقطة بنقطة أو طبقة بطبقة. هنا، المليون نقطة كلها تولد في نفس اللحظة — مثل صورة فوتوغرافية، لكن بشكل حجمي. السر يكمن في جزأين.

قطرة حبر تسقط في كأس ماء، وبدلاً من بقعة منتظمة تولد حلقة تبدأ فوراً بالدوران. هكذا تقريباً يبدو ميلاد السكيرميون: الضوء المنبعث من مصدر صغير يلتف في دوامة مستقرة. حتى وقت قريب، كانت هذه الدوامات تُنتج فقط من ليزرات كبيرة. أما الآن فقد تعلّم العلماء إنشاءها من ذرات مفردة مباشرة على الشريحة. السر يكمن في السطح الذي يوضع عليه مصدر الضوء.

الليزر العادي يُصدر الفوتونات واحدًا تلو الآخر، مثل صنبور يقطر ماءً. ولكن ماذا لو احتجنا عدة جسيمات ضوئية تولد في اللحظة نفسها؟ الفيزيائيون جعلوا سحابة من ذرات الروبيديوم الباردة تُصدر أربعيات من الفوتونات — كما لو أن الصنبور فجأة يُخرج أربع قطرات دفعة واحدة، وكل قطرة تسقط في أنبوب اختبار خاص بها. تُبرَّد السحابة إلى ما يقارب الصفر المطلق، بحيث تكاد الذرات لا تتحرك.

إنشاء نبضة ضوئية بعدد دقيق ومحدد مسبقًا من الفوتونات — مهمة تشبه سك 100,000 قطعة نقدية دون أي عيب. حتى وقت قريب، تمكن الفيزيائيون من التحكم في بضع عشرات فقط من هذه الكمات الضوئية. تقنية "الآلة البصرية" تتغلب على هذا الحاجز: العدسات الافتراضية، مثل قواطع دقيقة في مخرطة ميكانيكية، تزيل "الضبابية" الكمومية وتضمن أن كل "حزمة" منتجة تحتوي على عدد محدد بدقة من الفوتونات.

طرح فكرة الانتقال الكمي تشارلز بينيت، وحققها أنتون تسايلينغر. وهي تعتمد على التشابك — حيث تكون جسيمتان متزامنتين، كصفحتين تنسخان رسمًا واحدًا فورًا. لكن سابقًا كان «الحبر» ينتشر فيفسد المخطط. أما الآن فقد استخدم الفيزيائيون ضوءًا ذا تموجات خاصة (حالات غير غاوسية) لا يُشوش الخطوط. وصلت دقة النسخة إلى 97.3%.

يشبه الاتصال الكمي العادي مكتب البريد الذي يرسل الرسائل واحدة تلو الأخرى بصرامة. إذا كان المسار طويلاً، فإن الرد يستغرق وقتاً طويلاً غير مقبول. سارع الفيزيائيون العملية بإطلاق عشر "شاحنات بريد" - نبضات ضوئية - في ليف بصري واحد، ولكن في نوافذ زمنية مختلفة. في التجربة، تلقى أيونان (ذرتان مشحونتان) في مصائد موصولة بكابل بطول 1.2 كم عشر فوتونات في كل دورة.

ينقر الليزر بتردد عشرة ملايين مرة في الثانية، وكل نقرة تُطلق من غشاء البوليستيرين فوتونًا واحدًا بالضبط. ليس حزمة ولا دفعة، بل جسيم ضوء وحيد، معبأ بدقة في المكان والزمان. المصدر هو جزيء يمكن شراؤه من كتالوج الكواشف الكيميائية: فوليرين C60، ستون ذرة كربون مطوية على شكل كرة قدم. تلك الكرة التي مُنحت جائزة نوبل في الكيمياء عام 1996 لتخليقها. الآن تلعب لعبة مختلفة.

مقياس حاسوب كمومي يشبه نسج شبكة من الضوء: كل خيط يرتجف من أنفاس الحرارة، مهددًا بتمزيق النمط الذي بالكاد يتشكل. لقد تنبأ ريتشارد فاينمان وديفيد دويتش بأن الفوتونات هي كيوبتات مثالية، لكنها بحاجة إلى مسرح: دارة قابلة للبرمجة تتلاعب بعشرات الأنماط.