ألياف بصرية

على خط الإنتاج في مصنع، تُخرج القطع واحدة تلو الأخرى بدقة في كل دورة. إذا كانت الدورة قصيرة وكان معدل العيوب منخفضًا، يعمل الخط بسرعة. في البصريات الكمومية، يلعب مصدر الفوتونات المفردة دور هذا الخط: يجب أن يُصدر كمًا واحدًا من الضوء بالضبط في كل دورة، وكلما زادت الدورات، زاد عدد الفوتونات التي تخرج إلى الألياف البصرية.

تُوضع شريحة من خشب الأوكالبتوس بسمك عُشر المليمتر تحت المجهر الاستقطابي، فيتفتح الخشب فجأة بألوان زاهية: خطوط زرقاء وصفراء ووردية تلتف بشكل حلزوني، وتشكل حلقات ودوامات. هذا ليس طلاءً، بل لعبة ضوء: ألياف السليلوز التي تشكل جدران الخلايا تنقل الضوء بشكل مختلف اعتمادًا على اتجاهها. وهكذا، بالنظر إلى الصورة الملونة، يمكن معرفة الزاوية التي يقع عندها كل ليف.

عندما يمر الضوء عبر سائل عكر، مثل كوب من الماء المخلوط بالطين، فإنه يضعف — إذ تُمتص بعض الفوتونات بواسطة جزيئات الوسط. على هذا المبدأ تعمل العديد من الأجهزة لتحليل السوائل: بقياس نسبة الضوء المفقود يمكن الاستدلال على التركيب. لكن إذا كان الوسط غير متجانس، مثل حساء يحتوي قطعًا من الخضروات، فإن رقمًا إجماليًا واحدًا لا يكفي: من الضروري معرفة أين يكون الامتصاص أقوى وأين يكون أضعف.

البيانات في الإنترنت تسافر بسرعة الضوء سرعة الضوء عبر الألياف الضوئية. في الشبكات التقليدية، التأخيرات ليست حرجة، لكن الاتصال الكمومي يحتاج إلى تزامن مثالي: يجب أن تصل جسيمات الضوء المحملة بالمعلومات المشفرة إلى الكاشف في نفس اللحظة. المشكلة هي أنها بعد أن تسلك مسارات مختلفة، تفقد التزامن - تمامًا كمكونات طبق يتم إعدادها في أوقات مختلفة وتنتظر بعضها البعض.

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.

يسقط حجر في بركة، فتنتشر دوائر على سطح الماء. إذا التقت الدوائر بغصن بارز في طريقها، ينعكس جزء من التموّج وينحني الجزء الآخر حول العائق. وبالمثل تتصرف الموجات الثقالية — وهي تموّجات في نسيج الزمكان نفسه — عندما تمرّ بالقرب من تجمعات المجرات أو الثقوب السوداء. ينحني مسارها، ولا يصل إلى الكاشف موجة واحدة بل صدى كامل.

تحت شوارع المدن تمتد شبكة عنكبوتية من الألياف البصرية — مئات الكيلومترات من الخيوط الزجاجية التي يجري عبرها الإنترنت. لكن الخرائط الدقيقة لهذه الشبكة غالبًا ما تكون مفقودة أو قديمة. إن العثور على كابل تحت الأرض يشبه البحث عن سلك داخل جدار باللمس دون معرفة مساره. الطريقة الجديدة تحوّل الكابل نفسه إلى أذن. فالألياف البصرية المدفونة في الأرض تلتقط أدق اهتزازات التربة.

داخل خيط البوليمر الرقيق للغاية توجد بلورات مجهرية — وميضيات. عندما تصطدم جسيمات مشعة غير مرئية، تومض للحظات مثل اليراعات. مستشعر حساس يلتقط كل ومضة من هذا القبيل، محولاً الخيط إلى كاشف مرن.

تعمل الحواسيب الكمومية وأجهزة الاستشعار على ترددات الموجات الدقيقة، ولكن من الملائم نقل إشاراتها لمسافات طويلة عبر الألياف البصرية، حيث يُستخدم الضوء. لربط هذين العالمين، نحتاج إلى وسيط — جهاز يترجم الموجات الدقيقة إلى فوتونات بصرية والعكس، دون تدمير المعلومات الكمومية الهشة. في العمل الجديد، كان هذا الوسيط عبارة عن بلورة طبقية CrSBr.

تعد الحواسيب الكمومية بحل مشاكل لا تستطيع الحواسيب العادية حلها. لكن مكوناتها — البتات الكمومية — حساسة للغاية. أحد أنواع هذه البتات هو دارة تذبذبية يمكن أن تتواجد في حالتين، مثل بندول يتأرجح يسارًا أو يمينًا. وهاتان الحالتان تخزنان المعلومات. ومع ذلك، عندما تعمل عدة بتات بجانب بعضها البعض، فإنها تبدأ في التأثير على بعضها البعض.

ومضة ليزر مدتها 50 فيمتوثانية (femtosecond) تشبه طلقة تدوم جزءًا من مليار من الثانية. خلال هذا الزمن، يقطع الضوء 15 ميكرومترًا فقط — أقل من سمك شعرة الإنسان. لكن إذا مررت هذه الومضة عبر مضخم، فإنها تبدأ بالتمدد مثل شريط مطاطي وتفقد حدتها. وجد الفيزيائيون من مجموعة ياشا سوهل-ديكشتاين (رغم أنه معروف بأعمال أخرى) طريقة لتجاوز ذلك.

غالبًا ما تكون الألياف في المواد المركبة أو الورق أو الأنسجة البيولوجية مخفية عن العين، لكن اتجاهها يحدد قوة المادة وخصائصها. سابقًا، لتحديد اتجاهات الألياف، كان يلزم التقاط العديد من الصور بزوايا مختلفة وتجميع صورة ثلاثية الأبعاد — كما لو أننا نقطع رغيف خبز إلى شرائح رفيعة. بالنسبة للعينات الرقيقة، لا تصلح هذه الطريقة: لا يمكن تقطيع شرائح. الطريقة الجديدة تعمل بشكل مختلف.

يدخل الضوء إلى تجويف صغير بجدران مرآتية ويصطدم بذرة إربيوم مخبأة داخل بلورة. تمتص الذرة الضوء وتقلب نواتها إلى حالة أخرى — مثل مفتاح تبديل ينقر عند الضغط عليه. لكن هذا المفتاح ليس عاديًا: فهو يخضع لقوانين العالم الكمومي ويمكن أن يكون في وضعين في نفس الوقت. هذه النواة هي بت كمومي جاهز، أو كيوبت، لشبكات المستقبل حيث تُنقل المعلومات ليس بالكهرباء بل بجسيمات ضوء مفردة.

الألياف البصرية العادية تشبه خيطًا زجاجيًا يجري فيه الضوء. لكن عند إرسال إشارات كمومية ضعيفة (فوتونات مفردة) مع ضوء ليزر كلاسيكي قوي في نفس الوقت، تحدث مشكلة. الزجاج يشتت الضوء قليلًا، وهذا ما يسمى تشتت رامان. ينتج عنه ضوضاء تطغى على الإشارات الكمومية، مثلما تمنع الموسيقى الصاخبة من سماع الهمس. وجد العلماء حلاً: استخدام ألياف بصرية مجوفة.

يخرج فوتونان من صندوق صغير — ويتصرفان مثل توأمين يرتديان دائمًا نفس الملابس. إذا أدرت أحدهما، فسيدور الآخر فورًا بنفس الطريقة، حتى لو فصلت بينهما كيلومترات. هذه ليست خدعة، بل تشابك كمومي: ارتباط بين الجسيمات لا يعتمد على المسافة. بنى الباحثون مصدرًا مدمجًا لهذه الأزواج. إنه يوضع على طاولة وينتج فوتونات يكاد يكون من المستحيل تمييزها عن بعضها — مثل كرتين مصبوبتين في نفس القالب.

جهاز بحجم حبة رمل: مرآة صغيرة على شكل طبق تحمل ذرة روبيديوم منفردة وتجمع التوهج الذي تبعثه تحت شعاع الليزر. تُرسل جسيمات الضوء المُلتقطة إلى ألياف بصرية — التصميم بأكمله دقيق ولا يضطرب حتى مع الاهتزاز. الإنجاز الرئيسي هو التشابك الموثوق بين الذرة وكم الضوء.

داخل معجل الجسيمات الكبير، يسود وابل غير مرئي من أشعة غاما — وكأن خيطًا زجاجيًا تُرك تحت جهاز أشعة سينية يعمل لسنوات. الإلكترونيات العادية هناك تتعطل بسرعة، ويجب نقل البيانات من الكاشف إلى الخارج بطريقة ما. الحل هو الألياف البصرية: خيط زجاجي رفيع يجري فيه الضوء.

نظرية الجاذبية الكلاسيكية لأينشتاين — النظرية النسبية العامة، التي تصف الجاذبية بانحناء الزمكان — وفيزياء الكم نادرًا ما تلتقيان في تجارب مباشرة. في هذا العمل، أنشأ العلماء على طاولة المختبر مقياس تداخل: متاهة من الألياف الزجاجية بطول 50 كيلومترًا ملفوفة في ملف مضغوط.

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

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.

عند مرور الضوء عبر نسيج بيولوجي أو زجاج مصنفر، يتبعثر ويفقد الصورة. أظهر باحثون من معهد علوم النانو في باريس أنه يمكن ضبط الوسط الناثر بحيث يسمح بمرور الصور المشفرة في ارتباطات الفوتونات المتشابكة، بينما يبقى معتمًا للضوء التقليدي. ولتحقيق ذلك، استخدموا مُعدِّل ضوء مكاني يختار قناعًا طوريًا يحافظ على الارتباطات الكمومية.

شعاع ضوء مرئي يدخل سحابة من مليارات ذرات الروبيديوم المبردة إلى ما يقارب الصفر المطلق، ويخرج من الجانب الآخر في نطاق الاتصالات. هكذا يبدو عمل مترجم لا يفقد معنى الجملة: الذرات تستقبل الفوتون على «لغة» 795 نانومتر وتعيد إرساله على «لغة» 1367 نانومتر، المناسبة للسفر عبر الألياف البصرية. الترجمة نفسها تستغرق أقل من ميكروثانية، لكنها هي التي تحدد ما إذا كان الإنترنت الكمومي سيعمل.

في غرفة مظلمة، يلتقط الرنان الضوء كما تلتقط شبكة العنكبوت قطرات الندى. تندفع نبضة ليزرية إلى الداخل، فتبدأ الغشاء الميكانيكي بالاهتزاز بتناغم، تاركًا أثرًا في نسيج النظام ذاته. هكذا تولد الذاكرة: ليس في خلية سيليكونية، بل في رقصة الفوتونات والفونونات. البصريات الميكانيكية هي تفاعل الضوء مع الاهتزازات الميكانيكية لرنان دقيق.