توليد زوج فوتونات

يشبه الاتصال الكمي إرسال رسالة سرية تتمزق عند أي محاولة للاطلاع عليها. حتى الآن، لا يمكن إرسال مثل هذه الرسالة إلا عبر طريق واحد، وهذا بطيء. ابتكر العلماء طريقة لإرسال 16 ساعيًا عبر 16 طريقًا متوازيًا — ترددات ضوئية مختلفة — وتأكدوا من وصول الرسائل سليمة.

ألقِ حصاتين في الماء على مسافة بينهما. ستجري الأمواج باتجاه بعضهما وتُلغي بعضهما في مواضع معينة — فيصبح الماء أملس، رغم أن كل حصاة بمفردها كانت ستُحدث تموجات. بطريقة مشابهة، يتصرف زوج من الفوتونات — كَمّات الضوء المولودة في بلورة واحدة والمتطايرة في اتجاهين مختلفين. لكن بدلاً من أمواج الماء، تتداخل هنا دوالها الموجية.

القمة الدوّارة تدور بسرعة كبيرة لدرجة أن الهواء حولها يبدأ بالدوران بتناغم معها. تقريبًا بنفس الطريقة يتصرف الثقب الأسود: إذا كان دوّارًا، فيمكنه نقل طاقته إلى الجسيمات القريبة منه. تُسمى هذه العملية بالإشعاع الفائق (superradiance) — وهي تشبه صدى الصوت في الجبال، لكن بدلًا من الصوت تولد جسيمات جديدة.

لطالما حير لغز المادة المضادة في الكون علماء الفيزياء الفلكية: من أين تأتي البوزيترونات التي تترسب كرقائق الثلج في الكواشف؟ قد يكمن الجواب في أكثر أشكال خلفية غاما انتشارًا. فالكون مشبع بضوء متبعثر — خلفية الفوتونات الكونية (CPB).

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.

أنت تصب الماء في كوب، لكنك تريد الحصول على مليون قطرة بالضبط — ليس تقريبًا، بل بدقة. الصنبور العادي يطلق تيارًا يختلف فيه عدد القطرات دائمًا. في العالم الكمومي، نفس المشكلة مع الفوتونات: الليزر يصدر ضوءًا يتقلب فيه عدد الجسيمات مثل حشد في ساحة.

مرآتان دقيقتان في الفراغ، تشبهان بندولين متزامنين. اهتزازاتهما تتزامن بخيط جاذبية غير مرئي. عند تبريدهما إلى أجزاء من مليون من الدرجة فوق الصفر، يحولهما هذا الخيط إلى رابط كمومي واحد — حركة إحداهما تنتقل فوراً إلى الأخرى. يسجل الليزر الحالة الكمومية على المرآة اليسرى.

نجمان نيوترونيان — بقايا نجوم ميتة، مضغوطة إلى حجم مدينة لكن بوزن يعادل الشمس — يدوران حول بعضهما البعض وفي النهاية يصطدمان. في تلك اللحظة يولد شيء بين ثقب أسود ومغناطيس فائق القوة: مجال أقوى بمليارات المرات من أقوى جهاز تصوير بالرنين المغناطيسي.

أوركسترا يعزف فيها كل موسيقي دوره الخاص، ومعاً يصنعون لحناً معقداً — هكذا تبدو سحابة ذرية تدور سبيناتها (لفاتها الذاتية، مثل قمم دوارة صغيرة) بشكل متزامن. عادةً، تتصرف هذه القمم الدوارة باستقلالية. لكن بمجرد وضعها بين مرآتين وإضاءتها، يحدث أمر مدهش: يبدأ الضوء والذرات في «الغناء» بتناغم، متشابكين مع بعضهما البعض.

قبل تجميع أحجية ضخمة، يجب ختم القطع — وإلا فلن تكتمل الصورة. في الحواسيب الكمومية القائمة على الاندماج، تلعب كتل صغيرة من الضوء دور هذه القطع — وهي الحالات الموردية الفوتونية. تُصطدم هذه الكتل وتُقاس لتنمو نسيج الحوسبة تدريجياً. لكن مصنع هذه الأحاجي الضوئية يعمل بشكل متقطع: ولادة كل قطعة حدث احتمالي، ويكون الإنتاج التالف أكثر من القطع الصالحة.

لغز الجاذبية الكمومية يشغل العقول منذ قرن تقريبًا. الحقل الكلاسيكي الذي يحني الزمكان يرفض أن يتناسب مع عالم التراكبات الاحتمالي. هل يمكن للجاذبية، وهي ماكروسكوبية، أن تولد تشابكًا مجهريًا؟ دراسة جديدة عند تقاطع التحليل و المحاكاة العددية تقدم إجابة غير متوقعة.

عندما يصل المجال الكهربائي إلى قوة هائلة، يتوقف الفراغ عن كونه فارغًا. في منتصف القرن الماضي، أظهر جوليان شوينجر أن الفراغ ينفجر حرفيًا بأزواج جسيم-مضاد الجسيم إذا كان المجال شديدًا بما يكفي. هذه العملية، الشبيهة بإشعاع ستيفن هوكينغ، ظلت لفترة طويلة مجرد فضول نظري.

مصباح يضيء عبر ضباب كثيف. يتشتت الضوء على قطرات الماء، فيبدو المصباح مشوشًا. حول الثقب الأسود يحدث شيء مشابه: غاز ساخن، مثل الضباب، يلفه، وأشعة سينية من الأجزاء الداخلية للقرص تخترق هذه السحابة. فقط «القطرات» هنا هي الإلكترونات، و«الضباب» نفسه يسمى الهالة.

الضوء ليس مجرد أشعة مستقيمة، بل موجات كهرومغناطيسية قادرة على الالتفاف في الفضاء، مثل ثنائي يؤدي رقصة الفالس. الفيزيائيون يسمون هذا اللف الكلي بالزخم الزاوي المداري، وكان يُعتقد لفترة طويلة أنه يخضع لـقانون الحفظ — مبدأ أساسي ينبثق من تماثلات الطبيعة التي اكتشفتها إيمي نويثر.

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.

عازفان يعزفان ثنائيًا. في قاعة مثالية، يسمع كل منهما الآخر بوضوح ويدخلان تدريجيًا في حالة رنين. لكن جرّب العزف في غرفة يغلق فيها أحدهم الباب باستمرار. يبدو أن الإيقاع سيختل. لكن لا: أحيانًا تكون هذه الضجة العشوائية هي ما يجعل الاثنين يتوافقان فورًا. تقريبًا هكذا تتصرف جسيمتان كموميتان — كيوبتات قناة أيونية — عندما تكون البيئة من حولهما صاخبة.

في غرفة مظلمة، يومض ليزر تحت أحمر، وتصبح قطعة من مسحوق K3C60 الأسود، لجزء من الثانية، موصلة للتيار دون مقاومة. يضرب الضوء بتردد 10 تيراهرتز، وهو أسرع بألف مرة من عمل فرن الميكروويف. ويتضاعف التأثير مئة مرة مقارنة بالترددات الأخرى. لماذا هذا التردد تحديدًا؟ بنى العلماء نموذجًا حاسوبيًا ووجدوا الإجابة. تتحرك الإلكترونات في المادة عادةً منفردة، لكن في حالة التوصيل الفائق تتحد في أزواج، مثل راقصين يمسكان بأيدي بعضهما.

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.

يسقط شعاعان ليزريان بلونين مختلفين على بلورة، وداخلها تولد من حين لآخر ثلاثيات من جسيمات الضوء – مثل ثلاث عملات معدنية تخرج من فتحة واحدة في آلة بيع. هذا هو أول مرة يتمكن فيها الباحثون من إجراء هذه العملية بكفاءة كافية: في كل ثانية، حصلوا على 11.6 ثلاثية. كان الشعاعان أخضر وأشعة تحت حمراء غير مرئية. داخل البلورة، تجمعت طاقتهما وتحولت إلى ثلاثة جسيمات جديدة تتناثر في اتجاهات مختلفة.

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.

يعمل طرف المغناطيس مثل جسر الغيتار: الوتر المضغوط عند الطرف تمامًا يصدر صوتًا مختلفًا، بمجموعة أغنى من النغمات التوافقية. وهكذا تقريبًا تتصرف الموجات المغناطيسية في شريط رفيع من النيكل والحديد. قاس الفيزيائيون كيف تولد موجات المغنطة التي تجري على طول هذا الشريط موجات بتردد مضاعف وثلاثة أضعاف.

شعاع ليزر يضرب بلورة شفافة، فترد بقوس قزح كامل — من الأشعة تحت الحمراء إلى الأشعة فوق البنفسجية غير المرئية. هذه ليست خدعة بالمرايا، بل عمل بلورة غير خطية: فهي قادرة على جمع ترددات الضوء، مثلما يعزف الموسيقي على الوتر ليس النغمة الأساسية فحسب، بل النغمات التوافقية أيضًا.

عندما يلتقي شعاعان من الضوء داخل بلورة، يمكن أن يولّدا شعاعًا ثالثًا بتردد مختلف. ولكي تكون هذه العملية فعّالة، يجب أن تسير الموجات بتناغم، كشخصين يمشيان جنبًا إلى جنب دون أن يختلف خطاهما. سابقًا، استُخدمت طريقتان تقليديتان لتحقيق ذلك: إما اختيار بلورة بخواص مناسبة، أو تقطيعها إلى طبقات رقيقة. كلتا الطريقتين ابتُكرتا منذ أكثر من ستين عامًا، ولكل منهما قيوده. يقترح مؤلفو الدراسة طريقًا ثالثًا.

في كاشف أطلس (ATLAS) بمصادم الهادرونات الكبير، تتصادم البروتونات مليارات المرات في الثانية. ومن بين هذا التدفق، التقط الفيزيائيون ثمانية أحداث نشأت فيها بعد الاصطدام بوزونات Z اثنان وفوتون واحد.

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.

بلورة أكسيد المغنيسيوم تشبه صفًا من الجنود: الذرات تقف في صفوف منتظمة، والإلكترون يجري بينها. ولكن بمجرد أن يتباطأ الإلكترون، تزيح الذرات القريبة قليلًا عن أماكنها — وكأن الجيران في الصف يلتفتون برؤوسهم. يجد الإلكترون نفسه في حفرة من الذرات المزاحة، ولم يعد قادرًا على التحرك بحرية. هكذا يولد البولارون — جسيم يجر خلفه سحابة من اهتزازات الشبكة البلورية.

رقاقة السيليكون تشبه عجينة البسكويت. تسخنها في الفرن، فتظهر في العمق زبيبات صغيرة — عيوب في الشبكة البلورية قادرة على إصدار فوتونات مفردة. تُسمى هذه «الزبيبات» مراكز الألوان، وهي ضرورية للحواسيب الكمومية والاتصالات الآمنة. درس مؤلفو العمل كيف تتولد هذه العيوب تحديدًا أثناء تلدين السيليكون.

أيون كالسيوم منفرد يطفو في مصيدة مفرغة، تمسكه مجالات كهربائية كما تمسك وعاء غير مرئي حبة بازلاء. حوله مرآتان تشكلان تجويفًا بصريًا: يتردد الضوء بينهما معززًا التفاعل مع الأيون. يجبر العلماء الأيون على إصدار فوتون، فيكون هذا الفوتون متشابكًا مع الحالة الداخلية للأيون — كما لو أن عملة في يدك وانعكاسها في مرآة يُظهران دائمًا الوجه نفسه.

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.

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.

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.

فوتونان، مثل نصفي عملة واحدة، يتباعدان لعشرات الكيلومترات، لكنهما يبقيان مرتبطين: قِس أحدهما فتعرف حالة الآخر فورًا. هذه الخاصية تسمى التشابك، وهي أساس الاتصال الكمي.

قطة شرودنغر عادة ما تختبئ في التجارب الفكرية — حية وميتة في آن واحد. لكن هذه المرة تم التقاطها في المختبر: جُعلت نبضة ضوئية في حالتين متعارضتين في الوقت نفسه، مثل عملة معلقة في الهواء بين الوجه والكتابة معًا. لتحقيق ذلك، أُخذ فوتونان مفردان — جسيمات ضوء يمكن عدّها واحدة واحدة، مثل التفاح في سلة. كان أحدهما «مفردًا» والآخر «مزدوجًا».

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.

البلورة التي تفتقر إلى مركز التماثل تشبه سلمًا تميل جميع درجاته في اتجاه واحد: الإلكترونات، عندما تتلقى دفعة من الضوء، تنزلق في الغالب في اتجاه واحد. هكذا ينشأ تيار مستمر — التأثير الكهروضوئي (photogalvanic effect).

تمكن الفيزيائيون لأول مرة من تحقيق حالة تكون فيها ثلاثة فوتونات — كوانتا الضوء — نظامًا واحدًا متشابكًا، وليس مجرد ارتباطات ثنائية. تطلب ذلك شريحة فوتونية متخصصة، تم تبريدها إلى درجات حرارة أقل بمئات المرات من درجة حرارة الخلفية الكونية الميكروية للفراغ الكوني. هذا التبريد الشديد ضروري لكبت الضوضاء الحرارية التي قد تدمر الارتباطات الكمومية الهشة — أي تأثير طفيلي هنا بالغ الأهمية.

في عام 1989، صاغ جون ويلر فكرة جريئة: «it from bit» — كل شيء موجود من المعلومات. لفترة طويلة، بقيت هذه الفكرة استعارة جميلة، لكن الفيزيائيين الآن وجدوا آلية ملموسة تحول البتات إلى جسيمات. اتضح أن إنتروبيا التشابك، وهي مقياس الترابط الكمي، يمكن أن تلعب دور القائد الذي يوجه نشوء المادة. نموذج المرآة المتحركة، وهو حدود تحاكي أفق الحدث، سمح باشتقاق صيغ صريحة.