مصدر فوتون واحد

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.

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.

كبسولة صغيرة جدًا تشبه فقاعة الصابون، لكن جدارها مصنوع من بلورات متوهجة، تتصرف مثل الليزر. ما دام جدارها سليمًا، ينتقل الضوء في مسار دائري، ويتضخم، ثم ينطلق كشعاع ضيق ساطع. وما إن يتشقق الجدار حتى يتحول الشعاع إلى بقعة باهتة. هذه الكبسولة هي جسيم غرواني (colloidosome)، وهي قادرة على تغيير توهجها عند الطلب.

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.

الضوء الذي يمر بجانب بنية مجهرية يغير اتجاه انتشاره. إذا كانت أبعاد البنية أصغر من طول موجة الضوء، فإنها تعمل كعدسة، تجمع الضوء في بقعة قطرها أصغر من طول الموجة نفسه. في العمل الجديد، أظهر الفيزيائيون أنه حتى بنية نانوية واحدة على سطح شريحة قادرة على تركيز الضوء في بقعة صغيرة جدًا بحيث يمكن استخدامها لالتقاط الذرات المفردة. لتصور هذه البقعة، استخدم العلماء الذرات نفسها.

عندما تصطدم نبضة ليزر قوية بوسط غازي، فإنها تؤين الذرات — أي تنتزع الإلكترونات — وتسرعها إلى سرعات نسبية قريبة من سرعة الضوء. هذه الإلكترونات عالية الطاقة، أثناء مرورها عبر البلازما، تصدر إشعاعًا سينيًا، أشبه بأثر مضيء لجسيم سريع. في العمل الجديد، جعل الفيزيائيون نبضة ليزر واحدة تُنشئ أثرين من هذا القبيل تباعًا، لا أثرًا واحدًا.

الفوتون المفرد يشبه لبنة متساوية تمامًا يمكن البناء بها لتقنيات الكم. لكن لبناء منزل، نحتاج آلاف اللبنات المتطابقة. ذرات الروبيديوم وُلدت باعثة: كل ذرة تصدر فوتونات بطول موجي واحد تمامًا، كالشوكة الرنانة التي تعطي نغمة واحدة دائمًا. المشكلة هي كيفية جمع العديد من الذرات في مكان واحد وجعلها تعمل بتناغم.

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.

الرنان الفارغ ليس فارغًا تمامًا. حتى في الفراغ المطلق، حيث لا يوجد فوتون واحد فوتون - وهو كم الضوء - توجد تقلبات كمومية: ولادة واختفاء مستمران لجسيمات افتراضية. هذا يشبه تموجات على سطح الماء في هدوء تام: يبدو السطح أملسًا، لكن الجزيئات تستمر في الاهتزاز. تعلم الفيزيائيون تحويل هذا الاهتزاز إلى موجات حقيقية - فوتونات حقيقية.

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.

تبعث الخلية الحية باستمرار إشارات مغناطيسية ضعيفة، كأنها تهمس. يتنصت العلماء على هذا الهمس بواسطة "ميكروفونين" مجهريين - هما مستشعران للمجال المغناطيسي. أحدهما صُنع من الطبيعة (بروتين)، والآخر ذرة غبار ماسية من صنع الإنسان فيها عيب (من الكربون النقي) يحولها إلى هوائي.

الليزر ليس ضوءًا فقط. إذا جعلت جسيمًا يتأرجح مثل البندول، وهذه التأرجحات تدعم نفسها بنفسها، تحصل على ليزر فونوني. يبدو الأمر معقدًا، لكن الفكرة بسيطة: بدلاً من موجات الضوء، يصدر الجهاز موجات منتظمة من الاهتزازات الميكانيكية — الفونونات. في العمل الجديد، كان "البندول" عبارة عن أيون كالسيوم واحد محاصر في مصيدة كهرومغناطيسية.

يمكن تشبيه مصدر الفوتونات الاعتيادي بمدخل مبنى يحرسه بواب واحد. يحاول أن يسمح بمرور الزوار فرداً فرداً، لكن أحياناً تتسلل ثنائيات. يسمي الفيزيائيون هذه معضلة النقاء: يجب أن تأتي الفوتونات منفردة بدقة، وإلا تتعطل الحسابات الكمومية. كانت الطرق القديمة تمنع الأزواج بشدة، لكن السطوع ينخفض آنذاك - كما لو أن البواب يدقق طويلاً على كل شخص فتتكدس طوابير. يضيف الأسلوب الجديد بوابين اثنين يعملان بتناغم.

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.

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.

الكمبيوتر الكمومي يشبه أوركسترا حيث يجب على كل عازف-كيوبت أن يعزف في صمت تام. لكن عندما يكون هناك العديد من هذه الأوركسترات وتريد العزف معًا، فإنها تحتاج إلى قائد-موصل موثوق. المشكلة أن الكيوبتات فائقة التوصيل تتواصل بلغة الموجات الدقيقة – وكأن عازفي الكمان يحاولون إسماع صوتهم إلى القاعة المجاورة عبر جدار خرساني. الموجات الدقيقة تخمد بسرعة في الأسلاك العادية ولا يمكنها السفر عبر الألياف البصرية.

تحتاج الشبكات الكمومية إلى وسيط بين وحدة التخزين – السِبين – والناقل – الضوء. لم يسبق لأي جزيء منفرد أن اضطلع بهذه المهمة. لكن الفيزيائيين وجدوا الآن حلاً. فقد وضعوا جزيء الكاربين داخل بلورة وبرّدوها إلى -269 درجة مئوية.

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.

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.

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.

جزر صغيرة من أشباه الموصلات، نبتت مباشرة على السيليكون، تطلق فوتونات مفردة — مثل آلة توزيع كرات تخرج كرة واحدة بدقة. تُسمى هذه الجزر بالنقاط الكمومية. وهي قادرة على إصدار الضوء على دفعات، وهو ما تحتاجه حماية المعلومات في الشبكات الكمومية. لكن حتى الآن كان من الصعب دمجها مع الإلكترونيات السيليكونية وجعلها تعمل في درجات حرارة ليست منخفضة جدًا.

الحاسوب العادي يدفع الكهرباء عبر مسارات نحاسية، وكل عملية هي طابور: أولًا واحدة ثم أخرى. أما الضوء فيعرف طريقة مختلفة. في حزمة واحدة يمكن خلط عشرات الإشارات دون أن تتعارض، مثل أصوات مختلفة في جوقة تُسمع في آن واحد لكن كلٌّ منها يُسمع بوضوح. الشريحة الجديدة FieldCore تستخدم خمسة من هذه "الأصوات" دفعة واحدة. الأول: لون الحزمة؛ فالأطوال الموجية المختلفة تحمل بيانات مختلفة.

ومضة الكاميرا العادية تستمر لأجزاء من الألف من الثانية. النبضة الأتوسيكندية أقصر بمقدار تريليون مرة — فخلال زمنها، يقطع الضوء مسافة أصغر من حجم الذرة. تعمل هذه الومضات كغالق فائق السرعة: فهي تجمد حركة الإلكترونات، مما يتيح رؤية كيف تقفز بين المدارات أو تشارك في تفاعل كيميائي. حتى الآن، كانت مشكلة هذه "الغواقل" هي الضوء الضعيف.

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.

ومضة الكاميرا العادية تتجمد في أجزاء من مئة من الثانية، لكنها بالنسبة للذرات أشبه بالخلود. فداخل الجزيئات، تقفز الإلكترونات خلال زمن يُقاس بالأتوثانية: أي أجزاء من مليار من مليار جزء من الثانية. ولتصوير مثل هذه الأحداث، نحتاج إلى نبضة ضوئية أقصر من الحدث نفسه. يأخذ الفيزيائيون حزمة إلكترونات في مسرّع خطي ويضغطونها بحيث تصبح الحزم المفردة أرقّ من الشعرة — من حيث الزمن.

يمكن للضوء أن يحمل المعلومات أسرع من أي إلكترونيات. لكن عادةً ما يكون بين الحاسوب والليزر محول رقمي-تناظري (digital-to-analog converter) — جهاز يحول الأصفار والواحدات إلى إشارات كهربائية. وهذا الجهاز هو ما يبطئ العملية برمتها. جهاز الإرسال الجديد يستغني عن هذا الوسيط. يمر شعاع الليزر عبر عدسة مسطحة بطور قابل للتحكم — صفيحة رقيقة تلوي موجات الضوء.

الضوء الذي تبعثه الذرة ليس مجرد وميض. إنه يحمل بصمة الحالة التي كانت عليها الذرة لحظة الانبعاث. أخذ الفيزيائيون كيوبتًا فائق التوصيل — ذرة اصطناعية بحجم رقاقة إلكترونية — وجعلوه يضيء في دليل موجي مفتوح، مثل مصباح في ممر طويل. ثم التقطوا كل فوتون وراقبوا كيف يتغير طوره.

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.

الحاسوب الكمومي يشبه أوركسترا، حيث كل كيوبت هو عازف يؤدي دوره. لكن بين الحين والآخر يقتحم القاعة شعاع كوني، فيجفل عازف الكمان ويخرج عن الإيقاع. هذه الجسيمات القادمة من أعماق الفضاء تخترق الرقاقة، وتطلق إلكترونات زائدة، وتفسد الموسيقى الكمومية الهشّة. لمواجهة هذه الاضطرابات، بنى الفيزيائيون منصة اختبار خاصة.

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.

يتم نقل المفتاح السري في الاتصال الكمومي عبر فوتونات مفردة. من المستحيل التنصت على هذه القناة: أي محاولة اعتراض تدمر الجسيم وتترك أثرًا. لكن للفكرة نقطة ضعف — وهي المعدات الحقيقية التي تتصرف أحيانًا بشكل مختلف عما تنص عليه النظرية. كاشف الفوتونات المفردة يشبه جرس الباب الذي لا يستجيب فقط للضغط على الزر، بل أيضًا للطرق القوي على الحائط.

يقترب طرف مجهر المسح النفقي من سطح بلورة لدرجة يتدفق بينهما تيار كهربائي. تُحقن الإلكترونات من الإبرة في شبه موصل طبقي وتصل إلى شاغر ذري — موضع ينقصه ذرة واحدة في الشبكة البلورية. يعمل هذا الفراغ كفخ صغير للشحنة. عندما يلتقي إلكترون وثقب في هذا الفخ، يولد فوتون واحد. يخرج الضوء إلى الخارج ويمكن التقاطه بكاشف.

نقاط مضيئة على خلفية داكنة — هكذا تبدو صور الجزيئات المفردة الملتقطة بتقنية MINFLUX. هذا المجهر قادر على إظهار تفاصيل أصغر من خمسة نانومترات: أي أنحف بحوالي عشرة آلاف مرة من شعرة الإنسان. لكن الصورة لا تظهر مكتملة، بل تشبه حفنة من الأضواء في زينة عيد الميلاد حيث احترق بعض المصابيح وتشابكت الأسلاك.

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».

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.

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.

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.

الرسائل العادية تُعترض، ولا يلاحظ أحد. ابتكر الفيزيائيون وسيلة لإنشاء سر مشترك يتحطم فورًا بنظرة دخيلة. بدلاً من الورق، تُستخدم جسيمات الضوء المفردة. هذا الارتباط الكمومي يستغل القانون: أي قياس يغير الجسم الكمومي. يشبه ذلك عملتين مرتبطتين ارتباطًا لا ينفصم. ترمي الأولى — والثانية، حتى على بُعد 100 كم، تسقط دائمًا على نفس الوجه.

الضوء الصادر من بلورات البيروفسكايت النانوية يشبه أداء جوقة، حيث تتردد الأصوات تارةً منفردة وتارةً كثنائي متناغم. سابقًا، لم يكن يُسمع هذا الثنائي إلا مع تبريد شديد، يقارب برودة الفضاء الخارجي. أما الآن، فقد غنّت الجوقة في درجة حرارة الغرفة.

في حقل شاسع من اليراعات التي تتوهج فرادى لا أسرابًا، تبحث منظومة آلية جديدة. إنها تُحرّك الليزر فوق العينة كما لو كان مصباحًا يدويًا، وتسجّل في كل نقطة لون الضوء وسطوعه. فإذا ما توهّج فوتون مفرد في مكان ما — فهذه هي "اليراعة" التي نحتاجها للحواسيب الكمومية والاتصالات المحمية.