التداخل الكمي للضوء: وجدت ظاهرة شاذة

اكتشف ثلاثة باحثين من جامعة ليبر دو بروكسيل ببلجيكا وجهًا مخالفًا للحدس في فيزياء تداخل الفوتون. في مقال نشر هذا الشهر في الضوئيات الطبيعة، فقد اقترحوا تجربة فكرية تتعارض تمامًا مع المعرفة العامة حول ما يسمى بخاصية التجميع للفوتونات. يبدو أن ملاحظة تأثير التجميع الشاذ هذا في متناول التقنيات الضوئية الحالية ، وإذا تم تحقيقها ، فإنها ستؤثر بشدة على فهمنا للتداخلات الكمومية متعددة الجسيمات.

أحد الركائز الأساسية لفيزياء الكم هو مبدأ التكامل الخاص بـ Niels Bohr ، والذي ينص ، بشكل تقريبي ، على أن الأشياء قد تتصرف إما مثل الجسيمات أو مثل الموجات. تم توضيح هذين الوصفين المتعارضين بشكل جيد في تجربة الشق المزدوج الأيقونية ، حيث تصطدم الجسيمات بصفيحة تحتوي على شقين. إذا لم يتم مراقبة مسار كل جسيم ، يلاحظ المرء هامش تداخل يشبه الموجة عند جمع الجسيمات بعد المرور عبر الشقوق. ولكن إذا تمت مراقبة المسارات ، فستختفي الأطراف ويحدث كل شيء كما لو كنا نتعامل مع كرات تشبه الجسيمات في عالم كلاسيكي.

كما صاغها الفيزيائي ريتشارد فاينمان ، تنشأ هامش التداخل من عدم وجود معلومات “أي مسار” ، لذلك يجب بالضرورة أن تختفي الأطراف بمجرد أن تسمح لنا التجربة بمعرفة أن كل جسيم قد اتخذ مسارًا أو مسارًا آخر من خلال الشق الأيمن أو الأيسر.

لا يفلت الضوء من هذه الازدواجية: يمكن وصفه إما بأنه موجة كهرومغناطيسية أو يمكن فهمه على أنه يتكون من جسيمات عديمة الكتلة تتحرك بسرعة الضوء ، أي الفوتونات. يأتي هذا مع ظاهرة أخرى رائعة: ظاهرة تجميع الفوتون. بشكل فضفاض ، إذا لم تكن هناك طريقة للتمييز بين الفوتونات ومعرفة المسار الذي تتبعه في تجربة التداخل الكمي ، فإنها تميل إلى الالتصاق ببعضها البعض.

يمكن ملاحظة هذا السلوك بالفعل مع اصطدام فوتونين كل منهما على جانب مرآة نصف شفافة ، والتي تقسم الضوء الوارد إلى مسارين محتملين مرتبطين بالضوء المنعكس والمرسل. في الواقع ، يخبرنا تأثير هونغ أوو ماندل المشهور هنا أن الفوتونين الخارجيين يخرجان دائمًا معًا على نفس الجانب من المرآة ، وهو نتيجة لتداخل يشبه الموجة بين مساريهما.

لا يمكن فهم تأثير التجميع هذا في النظرة الكلاسيكية للعالم حيث نفكر في الفوتونات على أنها كرات كلاسيكية ، كل واحدة تتخذ مسارًا محددًا جيدًا. وبالتالي ، من الناحية المنطقية ، من المتوقع أن يصبح التجميع أقل وضوحًا بمجرد أن نتمكن من تمييز الفوتونات وتتبع المسارات التي سلكتها. هذا هو بالضبط ما يلاحظه المرء تجريبياً إذا كان للفوتونين الساقطين على المرآة نصف الشفافة ، على سبيل المثال ، استقطاب مميز أو ألوان مختلفة: يتصرفان ككرات كلاسيكية ولا يتجمعان بعد الآن. هذا التفاعل بين تجميع الفوتونات وإمكانية التمييز يُعترف به عمومًا ليعكس قاعدة عامة: يجب أن يكون التجميع بحد أقصى للفوتونات التي لا يمكن تمييزها تمامًا وأن ينخفض ​​تدريجيًا عندما يتم تمييز الفوتونات بشكل متزايد.

رغم كل الصعاب ، فقد ثبت مؤخرًا خطأ هذا الافتراض المشترك من قبل فريق من مركز المعلومات والاتصالات الكمية في مدرسة الفنون التطبيقية في بروكسل ، جامعة ليبر دي بروكسل بقيادة البروفيسور نيكولاس سيرف ، يساعده في الحصول على درجة الدكتوراه. الطالب ، بينوا سيرون ، وباحث ما بعد الدكتوراة ، الدكتور ليوناردو نوفو ، يعمل الآن باحثًا في المختبر الأيبيري الدولي لتكنولوجيا النانو ، البرتغال.

لقد درسوا سيناريو نظريًا محددًا حيث تصطدم سبعة فوتونات بمقياس تداخل كبير ويسبرون الحالات التي تتجمع فيها جميع الفوتونات في مسارين ناتجين لمقياس التداخل. يجب أن يكون التجميع هو الأقوى منطقياً عندما تعترف جميع الفوتونات السبعة بنفس الاستقطاب لأنه يجعلها غير قابلة للتمييز تمامًا ، مما يعني أننا لا نحصل على معلومات عن مساراتها في مقياس التداخل. ومن المثير للدهشة أن الباحثين اكتشفوا وجود بعض الحالات التي يتم فيها تقوية تجميع الفوتونات بشكل كبير – بدلاً من إضعافها – بجعل الفوتونات قابلة للتمييز جزئيًا عبر نمط استقطاب جيد الاختيار.

استفاد الفريق البلجيكي من وجود صلة بين فيزياء التداخلات الكمية والنظرية الرياضية للأزمنة. من خلال الاستفادة من تخمين تم دحضه حديثًا بشأن دائمة المصفوفة ، يمكنهم إثبات أنه من الممكن زيادة تعزيز تجميع الفوتونات عن طريق ضبط استقطاب الفوتونات. بصرف النظر عن كونها مثيرة للاهتمام للفيزياء الأساسية لتداخل الفوتون ، فإن ظاهرة التجميع الشاذ هذه يجب أن يكون لها آثار على التقنيات الضوئية الكمومية ، والتي أظهرت تقدمًا سريعًا خلال السنوات الأخيرة.

وصلت التجارب التي تهدف إلى بناء كمبيوتر كمومي بصري إلى مستوى غير مسبوق من التحكم ، حيث يمكن إنشاء العديد من الفوتونات ، والتدخل عبر الدوائر الضوئية المعقدة ، وإحصائها بأجهزة الكشف عن رقم الفوتون. لذلك فإن فهم التفاصيل الدقيقة لتجميع الفوتونات ، المرتبط بالطبيعة البوزونية الكمومية للفوتونات ، يعد خطوة مهمة في هذا المنظور.