فیزیک‌دانان پالس‌هایی با ۱۰۰٫۰۰۰ فوتون تولید می‌کنند!

[∆ MeRzaD ∆]

پالس‌های نوری محتویِ ۱۰۰٫۰۰  فوتونِ در هم تنیده، توسط فیزیک‌دانان در روسیه و آلمان تولید می‌شود. پالس‌ها در حالتِ به اصطلاح «فشرده شده خلأ» تولید شدند و این گروه فهمیدند که در هم تنیده‌گی فوتون ‌ها بایستی زمانی که تعداد فوتون‌ها در پالس زیاد می‌شود، شدید‌تر شود. این چنین پالس‌هایی می‌توانند در تکنولوژی‌هایی همچون کریپتوگرافی و مترولوژی استفاده داشته باشند.

در هم تنیده‌گی، یک پدیده کوانتومی است به نحوی که به ذراتی همچون فوتون این اجازه را می‌دهد رابطه‌ای نزدیک‌تر از حدِ معمولِ شناخته شده در مکانیک کلاسیک داشته باشند. برای مثال دو فوتون می‌توانند در آزمایشگاه تولید شوند این ‌چنین که اگر قطبش یکی پس از اندازه‌گیری در جهت عمودی شناخته شود، قطبش فوتون دیگر نیز در همان جهت تعیین می‌شود. این فر‌آیند بر خلاف این واقعیت است که قطبش یک تک فوتون در جهتی کاملاً دلخواه می‌تواند  باشد. با این‌ که چنین هم‌بستگی در دنیا‌ی غیر کوانتومی می‌تواند اتفاق بیفتد، مکانیک کوانتومی به این مطلب قوت می‌بخشد که این پدیده ماورای چیزی است که از مکانیک کلاسیک انتظار داریم. این عدم تطابق بین دنیای کلاسیکی و دنیای کوانتومی در سال ۱۹۶۴ توسط دانشمند اهل ایرلند شمالی جان بل تشریح شد. همچنین این عدم تطابق توسط یک سری از آزمایشات انجام شده در دهه ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ تأیید شد.

 هم‌اکنون ماریا چخوفا و همکارانش در مؤسسه ماکس پلانک (مربوط به علوم نورشناخت) و دانشگاه ایالت موسکو، حالت‌های کوانتومی دربردارنده تعداد بسیاری فوتون (۱۰۰٫۰۰ فوتون) تولید کرده‌اند. این حالت‌ها به شکلی است که همه فوتون‌ها توسط یکدیگر در هم تنیده‌اند.

کریستال‌های غیر خطی
آزمایشِ گروه با تاباندن یک پالسِ لیزر روی یک ابزار اُپتیکی شروع می‌شود. این ابزار مُقَسِم باریکه و وسیله‌ای برای قطبی کردن باریکه است به نحوی که باریکه اولیه را به دو باریکه با قطبش‌های گوناگون تبدیل می‌کند. این دو پالس به دو کریستال غیر‌‌خطی تابیده می‌شوند و کریستال‌ها را در اصطلاح «پمپاژ» می‌کنند. به خاطر ویژگی شگفت ‌‌­انگیز کریستال‌های غیر خطی، یک فوتون در پالسِ پمپاژ شده می‌تواند به دو فوتونِ در هم تنیده با قطبش یکسان اما انرژی مختلف (انرژی A و انرژی B) واپاشی کند. فرکانس یک فوتون در گستره زیر قرمز و فرکانس فوتون دیگر در گستره نور مرئی (در طیف امواج الکترومغناطیسی) است. واپاشی اولیه در کریستال به طور خودبه‌خودی اتفاق می‌دهد، و به عنوان اولین زوج فوتونی که در کریستال انتشار می‌یابند باعث گسیلِ القایی دیگر زوج‌ فوتون‌ها می‌شوند. خروجی نهایی از کریستال، پالسی از فوتون‌هایی تولید می‌کند که همه این فوتون‌ها در یک حالت به اصطلاح «فشرده شده خلأ» در هم تنیده شده‌اند. پالس مربوطه در اصطلاح فشرده شده است زیرا تعداد فوتون‌ها در پالس‌های A و B نسبت به دو پالس از یک لیزر نمونه با انرژی یکسان، شدید تر هم‌بسته هستند. کلمه خلأ در این تعریف از این حقیقت ناشی می‌شود که تولیدِ پالس به طور خودبه‌خودی و بدون استفاده از هیچ فوتون اولیه‌ای شروع می‌شود۱.

پالس‌های خروجی هریک از کریستال‌های مورد نظر سپس در یک ابزار اپتیکی دوم (مشابه قبل وسیله‌‌ای که مقسم و قطبی کننده باریکه باشد) باز‌ترکیب می‌شوند تا اینکه یک تک پالس غیر قطبیده تولید شود. سپس این پالس توسط یک صفحه قطبنده تنظیم می‌شود. این صفحه قطبنده جهتِ قطبش فوتون‌های با انرژی A را نسبت به جهتِ قطبش فوتون‌های با انرژی B، ۹۰ درجه می‌چرخاند. نتیجه، پالسی از فوتون‌ها‌ی در هم تنیده است که در اصطلاح «حالت یگانه ماکروسکوپیک بل» نامیده می‌شود. حال اگر جهت قطبش فوتون‌های نوع A در راستای عمود اندازه‌گیری شوند، جهت قطبش فوتون‌های نوع B در راستای افق خواهد بود. بر عکس این مطلب هم صحیح است.  این ویژگی هم‌بستگیِ قطبش برای هر انتخابی از حالات قطبش معتبر است. برای مثال اگر فوتون‌های نوع A قطبشی از نوع دایره‌ای راستگرد داشته باشند، قطبش فوتون‌های نوع B دایره‌ای چپگرد خواهد بود. برای سایر قطبش‌ها نیز این مطلب درست است.

اندازه گیری در هم تنیدگی
تلاش بعدی گروه این است که نشان دهند چطور فوتون ها واقعاً در هم تنیده می شوند. برای این کار پالس مربوطه را مجدداً از ابزاری اپتیکی مشابه دو وسیله اپتیکی قبلی عبور می‌دهند. این وسیله فوتون‌هایی که جهت قطبش آن‌ها افقی است به یک آشکارساز و دیگر فوتون‌ها با جهت قطبش عمودی را به آشکارساز دیگری می‌فرستد.

تمام فوتون‌ها در هر پالس توسط آشکارساز‌ها شمرده می‌شود، همچنین مقدار در هم تنیده‌گی یک پالس، با تعیینِ هم‌بستگی بین سیگنال‌های دو آشکارساز تعیین می‌شود. گروه نمی‌توانست مقدار در هم تنیده‌گی را با استفاده از نا‌مساویِ بل اندازه‌گیری کند چون که نامساویِ بلِ استاندارد، تنها برای زوج فوتون‌ها معتبر است و در این مورد (پالس‌های ناشی از دو آشکارساز) کاربردی ندارد. انحراف از نامساوی بلِ ماکروسکوپیک هنوز سوال برانگیز است. به هر حال گروه می‌تواند در هم‌تنیده‌گی را با استفاده از شرط قابلیت جداسازی بدست آورد.این شرط برای چنین سیستم‌هایی قابل اعمال است. آنالیز مشخص کرد مقدار هم‌بستگی پالس‌ها، بیشتر از حد مجازی است که در مکانیک کلاسیک در نظر گرفته می‌شود و از این رو در هم تنیده شدند.

فوتون‌های بیشتر، در هم تنیده‌گی بیشتر
محققان همچنین پارامتری به نام عدد اشمیت را اندازه گرفتند. این پارامتر معیاری برای تعیین مقدار در‌هم تنیده‌گی پالس‌ها می‌باشد. آن‌ها دریافتند که عدد اشمیت مقیاسی به عنوان متوسط تعداد فوتون‌ها در یک پالس است. طبق یافته‌های گروه، مشخص است که پالس‌های پر نورتر در مقایسه با پالس‌های با نور کمتر در هم ‌تنیده‌گی بیشتری دارند.

ژیا کیو ژو از دانشگاه بریستول این فرآیند را به عنوان «یک روش بسیار هوشمند برای بررسی در هم تنیده‌گی چنین حالتی با شمار زیادی فوتون» توصیف کرد. او اضافه کرد "دیگران می دانستند یک حالت بزرگ (حالت فشردهٔ خلأ) حالتی در هم تنیده است اما نمی‌دانستند چطور این موضوع را به طور آزمایشگاهی ثابت کنند" .

ژو اعتقاد دارد که مهم‌ترین کاربردِ پالسِ در هم تنیده، در مترولوژی کوانتومی کاربردی است. برای مثال می‌توان میکروسکوپی فازی و ژیروسکوب‌های نوری را نام برد.

چخوفا می‌گوید که پالس‌های در هم تنیده همچنین می‌توانند برای نظریه "Quantum Key Distribution" مورد استفاده قرار گیرند. این نظریه از در هم تنیده‌گی استفاده می‌کند تا به دو گروه اجازه دهد به طور سری اطلاعات را با هم مبادله کنند. او توضیح می‌دهد، اطلاعات کوانتومی می‌تواند در عدد فوتونی کدگزاری شود و سپس باریکه‌های A  و  B  بین دو گروه پخش می‌شود. این راه کار مشابه راهکار شناخته شده ایکرت برای نظریه مذکور است. او می‌گوید: این دو راه‌ کار از این حیث مشابه هم هستند که بر اساس زوج فوتون‌ها عمل می‌کنند اما گفتنی است در این‌جا پالس‌ها حاوی فوتون‌های بیشتری خواهد بود.

۱. در نظریه میدان‌های کوانتومی، «حالتِ خلأ» حالتی است که شامل هیچ‌ ذره‌ای نباشد. این حالت، کم‌ترین انرژی را دارد.