لقد حطّم الفيزيائيون حد قياس الضوء الكوانتمي

قام العلماء بتحطيم تسجيل جديد في قياس البصريات باستعمال الفوتونات، محققين مرحلة جديدة من الأحكام التي كانت فقط عبارة عن إمكانية في العالم النظري.

في تجربة أولى من نوعها، قام العلماء بتحطيم ما كان يدعى “حد ضوضاء الإطلاق” –أي زيادة الحد الأعلى للمعلومات والتي من الممكن أن تكون مستخرجة من جزيئات ضوئية مفردة في القياسات البصرية. لقرون عديدة، توقع الفيزيائيون النظريون إن أخذ قياسات الفوتونات في الحالات الكوانتمية -عندما تكون الجزيئات الضوئية المفردة متشابكة- فهي تتمكن من إيصال ميزة من مزايا الضوء خلال القياسات المأخوذه من الضوء في حالات غير كوانتمية.

“عندما تكون الفوتونات متشابكة، خصائصها تكون مترابطة أو متصلة مع بعضها البعض”. فيزيائيو ميكانيكا الكم جيف برايد من جامعة غريفيث الأسترالية.

“هذا يعني وجود عشوائية أقل في القياس، ومع ذلك، تبين أن هذه الحالات المتشابكة تعمل فقط إذا كانت الفوتونات المتشابكة ذات جودة عالية ولا تُفقد”.

ذلك لأن العشوائية تزحف على القياسات البصرية عندما تكون الجزيئات الضوئية الفردية ممتصة أو مبعثرة بغير قصد في جهاز القياس أو أن تكون ببساطة غير مضبوطة.

هذا الحد “حد ضوضاء الإطلاق” قام سابقا بمنع العلماء من إحراز الحدود النظرية للقياسات الحساسة جدا مع فوتونات في الحالات الكوانتمية، ولكن بفضل البحث الجديد لبرايد وفريقه، حُلّت المشكلة.

“الجديد هنا هو إننا قادرين على صنع وقياس الفوتونات ذات الجودة العالية والكفوءة بصورة كبيرة (أي التي لاتفقد) “برايد موضحا” وبالتالي يمكننا أن نبين أن هذه التقنية تعمل كما هو مفروض في النظرية”.

لاحراز ذلك، قام الفريق بتمرير ليزر خلال كريستال غير خطي، مع الخواص المناسبة لكل واحدة منها لإعطاء فوتونات متشابكة ذات جودة عالية. ثم تمر الفوتونات خلال عينة –فأي كان الجسم المقاس إلا أنه كان خلال الدراسة كوارتز الكريستال.

بالقيام بذلك وقياس الفوتونات بالمكشافات ذات الكفاءة العالية، تمكن الفريق من إيضاح أن “حد ضوضاء الإطلاق” من الممكن أن يحطم من دون قيد أو شروط مما يعني الضوضاء العشوائية من الممكن أن يتم تجنبها في القياسات البصرية عالية الدقة، “حيث تظهر أن الفوتونات في حالات كمية معينة من الممكن أن تستعمل لصنع أنواع معينة من القياس وتكون افضل من عدم استخدام الفيزياء الكمية” برايد موضحا.

“نحن نأمل من الامتدادات المستقبلية (شبك أكثر من فوتونين مع بعضهما البعض) إنه من الممكن أن استخدامها من أجل قياسات دقيقة للعينات الحساسة”.

أما بالنسبة للذي يمكن أن تكون عليه هذه العينات، فأن الفريق اعترف إنه من المبكر للتخمين حول ذلك. ولكنه ممكن في المستقبل، هذا النوع من الطرق قد يمكن العلماء من قياس المواد مع القليل فقط من الضوء. هذا من الممكن أن يستخدم لقياس العينات البيولوجية مع عدد محدود من الفوتونات حتى لا يسبب ضرر للعينات الدقيقة.

أما الآن، فأكبر إنجاز هو إظهار أن الفوتونات حقيقة من الممكن أن تستخدم للقياس بهذه الطريقة من دون أن تفقد بناء على الوعد النظري لقرون سابقة.

نشرت نتائج هذا التقرير في “Nature Photonics”.

المصادر: 1