عدم تمييز الفوتونات

الضوء الذي لم يصل إلى الكاميرا يترك أثره عليها. هكذا يعمل أسلوب التصوير الجديد: يُضاء الجسم بلون واحد، وتُلتقط الصورة من لون آخر. داخل البلورة، تمتزج موجات الضوء، وتنتقل المعلومات عن الأشعة غير المرئية إلى الشعاع المرئي. في التجربة، استُخدمت بلورة من ثيوجالات الفضة — وهي مادة بصرية غير خطية يمر عبرها شعاعان مختلفا اللون بزاوية. أحدهما هو الشعاع الذي يضيء العينة، والآخر هو الذي يصل إلى الكاميرا.

على الجدار — شرائط مضيئة وأخرى معتمة. هكذا يبدو الضوء وهو يطفئ نفسه. يعود إلى القرن السابع عشر افتراض Christiaan Huygens أن الضوء موجة. لكن تجارب أراغو وفرينل في بداية القرن التاسع عشر فقط أظهرت أن شعاعين يُنتجان هذه الشرائط فقط إذا كانت اهتزازاتهما في مستوى واحد. ساعد هذا الاكتشاف في فهم الاستقطاب — الاتجاه الذي تهتز فيه الموجة.

العالم الكمومي مليء بالروابط الغريبة. قد يصبح جسيمان «متشابكين»: حالة أحدهما تؤثر فورًا على الآخر حتى لو كانت بينهما كيلومترات. ولكن كيف نعرف ما إذا كانا متشابكين حقًا؟ يشبه ذلك خيطًا ملفوفًا: من النظرة الأولى لا يتضح إن كان كتلة واحدة متماسكة أم مجرد أجزاء متشابكة. في السابق، كان التحقق يتطلب حسابات هائلة — لم يكن استعراض جميع الاحتمالات ممكنًا إلا للأنظمة الصغيرة جدًا.

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.

الضوء بطبيعته متناظر: في القناة المفتوحة، يتدفق في كلا الاتجاهين بالتساوي. لدفعه في اتجاه واحد، غالبًا ما يستخدم الفيزيائيون المغناطيس. نهج جديد يستغني عنها، باستخدام الدوران — بسرعة تكفي لقرص فينيل — وتداخل ذرّتين. يغيّر الدوران «حدّة» الضوء للاتجاهات المختلفة — مثلما تعتمد نغمة صفارة الإنذار على ما إذا كانت السيارة تقترب أم تبتعد.

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.

رقاقة زجاجية مثقلة بـ 128 دليلاً ضوئياً تحولت إلى ما يشبه آلة بينبول كمية. تلعب الفوتونات دور الكرات، وهي كمات الضوء، وبدلاً من المجاديف الميكانيكية، تتحكم المسخنات الدقيقة في المسارات، حيث تغير المسارات الضوئية في لحظات. المهمة التجريبية: إطلاق ما يصل إلى أربعة فوتونات متطابقة وتسجيل توزيعها النهائي عند المخرج.

في أقبية أربعة معاهد أوروبية، وُضعت سبعة أجهزة — يمكن تشبيه كل منها بشوكة رنانة بدقة لا تُتصور. لكن بدلًا من الصوت، تصدر «دقات» من الضوء: اهتزازات ليزر محبوس على تردد معين بواسطة ذرات السترونشيوم أو الإيتربيوم أو الزئبق. هذه الذرات، المبرَّدة إلى ما يقارب الصفر المطلق، تعمل مثل دولاب موازنة ضخم لا يخطئ خطوة واحدة.

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.

ينطلق فوتونان من نقطة واحدة في صدر المريض. إنهما توأمان: إذا غيّرت أحدهما، عرفت حال الآخر فورًا. هذا الارتباط يسمى التشابك الكمومي. أثناء التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET)، تولد هذه الأزواج داخل الجسم عندما تلتقي المادة المشعة المحقونة بإلكترونات الأنسجة. درجة هذا التشابك ليست ثابتة. إنها تضعف إذا تفاعلت الفوتونات مع جزيئات الأكسجين في طريقها.

جزيء الديوتيريوم — ذرتان من الهيدروجين الثقيل — يتفكك تحت وطأة الليزر. يُقتلع إلكترون واحد، تاركًا أيونًا خلفه. في تلك اللحظة، ما زالا مرتبطين: اتجاه أحدهما يخبرك فورًا أين ذهب الآخر. هذا الارتباط يُسمى التشابك الكمومي.

حارس يجب أن يفحص خمس غرف، لكن لا يُسمح له بالدخول. يطرق الباب ويصغي: الصمت يعني أن هناك شخصًا بالداخل، والصدى يعني أن الغرفة فارغة. هكذا يعمل القياس دون تفاعل: جسيم كمومي، مثل الفوتون، يمر بجوار الجسم ويكشف بسلوكه ما إذا كان هناك ممتص في الطريق، رغم أن الفوتون نفسه لم يصطدم به.

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.

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».

كثيرًا ما تستخدم التقنيات الكمومية الضوء، ولكن ليس كمجرد مصباح، بل كناقل للمعلومات. إحدى الطرق هي ترميز البيانات في التردد: فكل «لون» من الفوتون يمكن أن يكون خلية ذاكرة منفصلة. المشكلة أن التعامل مع هذه الحالات الملونة يتطلب مختبرًا كاملًا: مصدر فوتونات، ومرشحات، ومعدِّلات، وكواشف. كل هذا ضخم وغير عملي.

في القرن التاسع عشر، تخيل جيمس كليرك ماكسويل شيطانًا صغيرًا. يعرف هذا الشيطان سرعة كل جزيء من الغاز ويفتح بابًا: السريعة إلى اليسار، والبطيئة إلى اليمين. هكذا، وبدون استهلاك طاقة، ينشأ فرق في درجات الحرارة، مما يبدو مخالفًا لقوانين الفيزياء. لكن الحل يكمن في المعلومات: فلكي يتذكر الشيطان السرعات ويتخذ القرار، يحتاج إلى ذاكرة.

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.

يجري الضوء عبر متاهة من المرايا ومقسمات الأشعة، لكنه في نهاية المسار لا يكتفي بالوميض على الكاشف، بل يغيّر نفسه. في الحاسوب الفوتوني الجديد، أُضيفت وحدات غير خطية إلى الدوائر الخطية المألوفة، وأصبح بإمكان الضوء تنفيذ أي عملية كمومية، وليس جزءًا منها فقط. في السابق، كانت الأجهزة الكمومية البصرية تشبه بيانو لا يمكن العزف عليه إلا بالمفاتيح البيضاء.

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.

مصدر الضوء المفرد في طبقة رقيقة من نيتريد البورون يومض وينطفئ خلال نانوثانيتين. يمكن إنشاء العديد من هذه المصادر في المادة، لكن كل واحد منها كان يعمل بمفرده لفترة طويلة. في العمل الجديد، جُعلت تتوهج معاً، مثل الموسيقيين الذين يعزفون في انسجام. لتحقيق ذلك، وُضعت المصادر على مسافة أقل من طول موجة الضوء المنبعث.

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.

وفقًا للقوانين الأساسية للفيزياء، لا يمكن لأي شيء أن يتحرك أسرع من سرعة الضوء في الفراغ. إذا وُجدت إشارة أسرع من الضوء، فإنها ستصل لدى بعض المراقبين قبل أن تُرسل — فتسبق النتيجة السبب. درس الفيزيائيان آرثر إيكرت وأندريه دراغان هذا الموقف الافتراضي واكتشفا أنه يولّد عدم يقين يذكرنا بشكل مذهل بعدم اليقين الكمومي.

شعاع الضوء المُرسل من الأرض إلى القمر الصناعي يتشتت في الغلاف الجوي — مثل مصباح يدوي في الضباب. لكي لا يضيع الإشارة، نحتاج إلى ضوء ذي طول موجي قصير، يتشتت بشكل أقل. هذا الضوء يُولد في بلورات خاصة، لكن من الصعب تصغيرها إلى حجم شريحة. صنعت مجموعة من الباحثين شريحة من نيتريد السيليكون — مادة شفافة تشبه الزجاج لكنها أقوى.

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.

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.

في قاعة حفلات فارغة، يعزف عازفان مقطوعة واحدة. أولًا الكمان، ثم التشيلو، أو العكس. هكذا كان الأمر دائمًا: لكل نغمة مكانها في الزمن، "قبل" و"بعد" خاصان بها. لكن ماذا لو استطاعت الأوركسترا أن تعزف النسختين معًا، في تراكب كمومي لترتيبين؟ هذا بالضبط ما ترسمه ميكانيكا الكم، والآن لديها تأكيد تجريبي. في تجربة أُجريت في نانجينغ، لعب الفوتونات دور العازفين: جسيمات الضوء.

يشبه كشف باعث كمومي فردي ضبطَ آلة موسيقية في ورشة تعجّ بالآلات الصاخبة: النغمة النقية تختنق في الضجيج. لكنّ الضابط لا يحاول أن يصرخ أعلى من الضوضاء – بل يأخذ شوكة رنانة ويصغي إلى النبضات. وهكذا يصبح الصدى الخافت جليًّا. تعمل هذه الحيلة أيضًا مع الفوتونات: الشعاع المرجعي المترابط، بتداخله مع إشارة الباعث، يحوّل الخفّة الكمومية إلى استجابة قياسية موثوقة.