الحالة المضغوطة

# وسم · @ مؤلف · ! عالم

الحالة المضغوطة هي حالة غير كلاسيكية للمجال الكهرطيسي، ينخفض فيها تشتت (تبعثر) أحد متغيري التربيع (كالطور مثلاً) دون مستوى الخلاء، بينما يرتفع المتغير المرافق. رياضياً، تُنتج بتأثير مؤثر الضغط S(ζ) = exp[½(ζ* a² − ζ a†²)] على حالة الخلاء أو على حالة مترابطة. ويعطي الوسيط ζ = r e^{iθ} درجة الضغط r واتجاهه في فضاء الطور. تُولَّد هذه الحالات في بلورات لاخطية عبر التبعثر الوسيطي أو المزج الموجي الرباعي، وتُستخدم على نطاق واسع لتحسين دقة قياسات التداخل.

التاريخ

ظهرت نظرية الحالات المضغوطة في سبعينيات القرن العشرين، وتمكن العلماء عام 1985 من إنتاجها في المختبر بتمرير شعاع ليزر عبر بلورة خاصة.

كيف يعمل

تخيل أمواجاً على سطح ماء. عادةً، تكون القمم والقيعان غير منتظمة قليلاً — هذا هو الضجيج الكمومي. باستخدام بلورة خاصة، يمكن إعادة توزيع هذا اللاانتظام: فتصير القمم متطابقة تقريباً بشكل مثالي، بينما ترقص القيعان بعشوائية أكبر. والنتيجة أننا نستطيع 'سماع' إشارة ضعيفة جداً يخفيها الضجيج — هكذا يلتقط LIGO الأمواج الثقالية.

💡 في كاشف LIGO، يخفض الضوء في الحالة المضغوطة الضجيج الكمومي إلى درجة يمكن معها رصد تغير طولي مقداره جزء من ألف من قطر البروتون في ذراع طوله أربعة كيلومترات.

تخفض الحالات المضغوطة ليس جداء اللايقين، بل تشتت أحد التربيعين وفق مبدأ اللايقين المعمم لهايزنبرغ: ⟨(ΔX₁)²⟩⟨(ΔX₂)²⟩ ≥ 1/4. وفي قاعدة فوك، |ζ⟩ = (1/cosh r) ∑_{m=0}^∞ (e^{iθ} tanh r)^{2m} √(2m)!/(m!) |2m⟩ — حيث تظهر فقط أعداد زوجية من الفوتونات. متوسط عدد الفوتونات يساوي sinh² r. ويضغط التحويل الذي ينفذه المؤثر S التوزع الطوري، بحيث يصير إحصاء أحد التربيعين عند الكشف المتجانس دون-بواسوني. وفي القياس الكمومي، يسمح الضغط بتجاوز الحد الكمومي المعياري SQL الذي تحدده تموجات الخلاء.

التاريخ

تعود الأعمال النظرية الأولى إلى ياماموتو وهاوس (سبعينيات القرن العشرين). وفي عام 1981، بيّن كارلتون كايفز الحدود الميكانيكية الكمومية لقياسات التداخل واقترح استخدام الضوء المضغوط لتجاوزها. أول إنتاج تجريبي للحالات المضغوطة حققته مجموعة سلاشر عام 1985. وفي العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، طور راينر فايس وزملاؤه تقنية حقن الخلاء المضغوط في كواشف الثقالة، وهو ما كان أحد الإنجازات الرئيسية التي توجت بجائزة نوبل عام 2017.

كيف يعمل

يولَّد الضغط في بلورة لاخطية ذات قابلية χ⁽²⁾. وفي نظام التضخيم الوسيطي، ينقسم فوتون الضخ بتردد ω_p إلى فوتونين متشابكين بترددين ω_s و ω_i. وإذا كُشف أحد الشعاعين، يتحقق في الآخر ضغط شرطي. ويُستخدم في LIGO ضغط حالة الخلاء: يُوجَّه خلاء مضغوط إلى المنفذ المظلم لمقياس تداخل مايكلسون، مما يخفض تموجات التيار الضوئي دون إدخال ضجيج كلاسيكي إضافي. وتوصف معادلة التطور في تمثيل هايزنبرغ للتربيعين بتحويل خطي للضغط يحافظ على علاقات التبادل.

S(\zeta) = \exp\!\left( \frac{1}{2} (\zeta^* a^2 - \zeta a^{\dagger 2}) \right)

S(ζ) هو مؤثر ضغط واحدي، و ζ = r e^{iθ} وسيط الضغط المركب (r درجة الضغط، r ≥ 0؛ θ زاوية الضغط في فضاء الطور)، و a و a† هما مؤثرا إفناء وإيجاد الفوتونات في النمط المعني، و exp الدالة الأسية. بتأثيره على حالة الخلاء |0⟩ نحصل على حالة الخلاء المضغوطة: |ζ⟩ = S(ζ)|0⟩.

مسائل مفتوحة وحقائق طريفة

الفاقد في العناصر البصرية يدمر الضغط بسرعة، مقلصاً الربح في عامل الضجيج.; يتطلب إنتاج ضغط شديد (أكثر من 10 ديسيبل) ضبطاً بالغ الدقة للأطوار وكبتاً للانعكاسات الطفيلية.; تحتاج كواشف الجيل التالي (مقراب أينشتاين) إلى ضغط عند ترددات منخفضة حيث يسود الضجيج الزلزالي.

💡 أقصى درجة ضغط حُققت حتى اليوم في البصريات هي 15 ديسيبل، أي ما يعادل خفض الضجيج بنحو 32 ضعفاً. وكان هذا الضغط ليمكن الرادارات الكمومية من تمييز الأجسام الشبحية (stealth).

لا مقالات بعد

الحالة المضغوطة

التاريخ

كيف يعمل

التاريخ

كيف يعمل

التاريخ

كيف يعمل

مسائل مفتوحة وحقائق طريفة

مقالات ذات صلة