الكشف عن فوتونات منفردة عن طريق التشابك الكمي

قبل 200 سنة تقريبا، اكتشف الفيزيائي البافاري جوزيف فون فراونهوفر خطوطا داكنة في الطيف الشمسي. وقد اكتشف لاحقا أن هذه الخطوط الطيفية يمكن استخدامها للاستدلال على التركيب الكيميائي ودرجة حرارة الغلاف الجوي للشمس. اليوم نحن قادرون على الحصول على معلومات عن اشياء متنوعة من خلال قياسات الضوء بطريقة مماثلة. لأنه في الغالب يجب أن يتم العثور على ضوء خافت جدا، يبحث الفيزيائيون عن طرق للتحليل الطيفي تكون أكثر حساسية من أي وقت مضى. في الحالات القصوى، الجسيمات المنفردة من الضوء (الفوتونات) يجب أن يتم قياسها أيضا بشكل موثوق، وهذا تحد تقني بحد ذاته.

وهكذا،ياخذ علماء الفيزياء في معهد البصريات الكمية ومعلومات الكم (IQOQI) في الأكاديمية النمساوية للعلوم، ومعهد الفيزياء التطبيقية في جامعة انسبروك منعطفا عبر تقنية التحليل الطيفي المنطقي الكمي. وهي تقنية وضعت قبل عدة سنوات من قبل مجموعة “ديفيد واينلاند” الحائزعلى جائزة نوبل لبناء الساعات الذرية الدقيقة للغاية. هذه واحدة من أولى التطبيقات العملية لمعالجة المعلومات الكمية، و قد تؤدي في السنوات القليلة المقبلة، إلى إعادة تحديد مفهوم الثانية في النظام الدولي للوحدات.

القياس عبر التداخل :

كريستيان روس وفريق كورنيليوس همبل من علماء الفيزياء في إنسبروك ،عزلوا أيونات منفردة عن طريق منظومة فصل الايونات ( ion trap )، من اجل دراستها تحت ظروف خاضعة للرقابة . يوضح كورنيليوس همبل: “نحن لا نحاول الكشف عن فوتون منبعث أو ممتص من قبل أيون، ولكن نبحث عن ركلة الزخم التي يتلقاها أيون عند الامتصاص أو الانبعاث”. في حين أن هذا التأثير صغير للغاية، يمكننا الكشف عنه من خلال فيزياء الكم.” علماء الفيزياء يستخدمون أيون ‘منطقي’ إضافي ، يجري تنفيذ القياس عليه. يقول همبل: ” يمكن السيطرة في التجربة على أيون الكالسيوم 40Ca+ هذا بشكل جيد للغاية”.

كما الأيون الطيفي ، يستخدم الباحثون نظائر أخرى من الكالسيوم (44Ca+). في التجربة ، تثير نبضة ليزر الجسيمات وتتشابك الحالة الإلكترونية للأيون المنطقي مع اهتزاز الجزيئات. يصف همبل الجزء المركزي من التجربة :” في هذا التكوين،الذي يسمى ايضا :”حالة قط شرودنغر” ، تتأرجح الأيونات مثل رقاص الساعة الكلاسيكي في مكان محكم. ولكن كرقاص ساعة الكم ‘ فهي تتأرجح (اي الايونات) في كلا الاتجاهين في نفس الوقت”. ثم نثيرالأيون الذي نريد التحقق منه عبر تطبيق ترددات ليزر مختلفة. وعند تردد معين ، يبعث الأيون فوتون واحد ويحصد الحد الأدنى من ركلة الزخم، التي تسبب انزياح المكونات المذبذبة قليلا من مكانها. وهذا يمكن ملاحظته من خلال الحالة الإلكترونية للأيون المنطقي. إلى جانب هذه المعلومات، فان تردد الليزر يسمح لنا اذا بالحصول على معلومات حول الحالة الداخلية للأيون الطيفي “. في التجربة الحالية اكتشف العلماء فوتونات منفردة مع احتمال بنسبة 12٪ . ويقول روس وهمبل بثقة : “نحن، بالتالي، نثبت ان هذه التقنية تعمل من حيث المبدأ. ومع تحسين التجهيزات من الناحية الفنية سوف نكون قادرين ان نزيد الحساسية بشكل ملحوظ”.

التطبيق الشامل :

يقول كريستيان روس بحماسة : “باستخدام المفهوم الغريب للتشابك الكمي الميكانيكي نحن قادرون على اكتساب معرفة عملية حول الجسيمات المنفردة” . ويضيف كورنيليوس همبل: “لان أسلوبنا في القياس لا يعتمد كثيرا على طول موجة الفوتون المكتشف،لذلك يمكن استخدامه لأغراض مختلفة” .على سبيل المثال، يمكن باستخدام هذه التقنية أن يتم التحقق من مستويات الطاقة لذرات وجزيئات مختلفة. ولأنه من الصعب السيطرة على الجزيئات في تجربة ما، هذا الأسلوب يشكل تقدما هائلا لدراسة هياكل أكثر تعقيدا.

يتم دعم هذا البحث ، الذي أجري في معهد بصريات الكم ومعلومات الكم للأكاديمية النمساوية للعلوم وفي معهد الفيزياء التجريبية في جامعة انسبروك، من قبل الاتحاد الأوروبي.

ترجمة: إليو خوري
مراجعة: Jamal Novelty

المصدر:
www.sciencedaily.com/releases/2013/07/130708102914.htm