بقيادة طالب الدكتوراه مامون صفدي والبروفيسور يارون برومبرج من الجامعة العبرية، تم إجراء تجربة أظهرت لأول مرة ميزة كبيرة في توصيف المواد باستخدام الفوتونات المتشابكة على الضوء الكلاسيكي. قامت التجربة المنشورة في مجلة Nature Physics المرموقة بقياس الضوء الصادر من الفوتونات المتشابكة التي كانت متناثرة من مشتت غير ثابت. وأظهرت نتائج التجربة أن الفوتونات المتشابكة تقلل خطأ القياس بمقدار أربع مرات مقارنة بالفوتونات غير المتشابكة، وبالتالي كسر حاجز كرامر راو للضوء الكلاسيكي. وللتجربة العديد من الآثار العملية في توصيف المواد والأنسجة البيولوجية للاحتياجات الطبية.
في العصر الحديث، تعلمت البشرية كيفية استخدام الضوء وخصائصه على نطاق واسع. إلى جانب القدرة على إضاءة طريقنا في الظلام، في ظل الظروف المناسبة، يمكن للضوء أن يقطع المعادن، ويصلح الرؤية، ويشفي الجلد، ويبث المسلسل المفضل على Netflix، ويرسل الرموز التعبيرية إلى الأصدقاء، بل ويميز انفجارات السوبرنوفا في الفضاء وأجواء الكواكب البعيدة. . على الرغم من أن الضوء هو أحد أكثر الأشياء التي تمت دراستها في العلوم، إلا أن الاكتشافات الجديدة تستمر كل يوم في جميع أنحاء العالم. بدأت دراسة الضوء بشكل ملحوظ مع تطور ميكانيكا الكم التي أعطت خصائص جسيمات الضوء. وفي السنوات الأخيرة، تُرجمت الاكتشافات العلمية إلى تقنيات تطبيقية تستفيد من الخصائص الكمومية غير المستغلة. إحداها هي التشابك الكمي، والتي فاز بها أصهاري الثلاثة جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2022. وهذه ظاهرة ليس لها نظير كلاسيكي، وبالتالي فهي ليست بديهية. هذه الظاهرة غير عادية لدرجة أنها تمكنت من إرباك ألبرت أينشتاين، أبو النسبية ومطوري ميكانيكا الكم. وبشكل عام، فإن التشابك الكمي يربط مصير الجسيمات، بحيث أن قياسًا واحدًا على إحداها، يحدد خصائص تشابك الجسيمات الأخرى على الفور، حتى لو كانت تبتعد عن بعضها البعض بسنوات ضوئية. يفترض أحد تفسيرات التشابك الكمي أن الجسيمات المتشابكة تتصرف كجسم واحد وأن الطبيعة ليست محلية. والمحلية تعني أن تأثير الأجسام على بعضها البعض يتحرك بسرعة لا تزيد عن سرعة الضوء ولا يحدث بشكل لحظي.
في العقود الأخيرة، استفادت شركات التكنولوجيا الفائقة، الكبيرة والصغيرة، من الخصائص الغريبة للتشابك الكمي لتطوير تقنيات غريبة مثل الكمبيوتر الكمي، والتشفير الكمي، والرادار الكمي، والمزيد. الآن، وجد باحثون من الجامعة العبرية، بقيادة البروفيسور يارون برومبرج وطالب الدكتوراه مامون صفدي، استخدامًا آخر للتشابك الكمي لجسيمات الضوء (الفوتونات). في المقال الذي نشروه وفي مجلة Nature Physics المرموقة، أظهر الباحثون أنه في العملية البصرية التي تسمى التشتت الخلفي المتماسك، تعطي الفوتونات المتشابكة نتيجة أكثر دقة للمسار الحر للضوء في الناشر.
على التشتت الخلفي المتماسك باستخدام الضوء الكلاسيكي والفوتونات المتشابكة
عندما يخترق الضوء وسطا سائلا أو غازيا فإنه ينتشر نتيجة الاصطدام بين جزيئات المادة. في معظم الأوقات، يتقدم الضوء إلى الوسط، بزوايا مختلفة، ولكن في بعض الأحيان يمكن أن يعود الضوء أيضًا. وتبين أن أعلى إضاءة من هذا التأثير، والمعروفة باسم التشتت الخلفي المتماسك، يتم ملاحظتها عند زاوية الصفر، أي العودة مباشرة إلى مصدر الضوء. وفي دراسة أجراها صفدي وبرومبيرج، أظهر الباحثون أن هذه الخاصية محفوظة أيضًا مع الفوتونات المتشابكة. ومن أجل إثبات هذا الادعاء، كان على الباحثين التغلب على العديد من التحديات التقنية، وأهمها استخدام المبعثر الديناميكي (أي المبعثر الذي يتكون من جسيمات تتحرك في الفضاء، وهي ليست ثابتة) الذي يدمر بسهولة تشابك الأجسام. الفوتونات.
وقد توصل الباحثون إلى نتيجة مهمة أخرى بعد دراسة ملف التشتت الخلفي للضوء، وذلك بفضل حقيقة أنه يتغير اعتمادًا على نوع المادة وخصائصها. يقوم الفيزيائيون بقياس شدة تشتت الضوء بمساعدة حركته الحرة. تحدد هذه المعلمة متوسط المسافة التي يقطعها الضوء بحرية حتى يصطدم ببعض الجسيمات. كلما كانت المادة أكثر كثافة، أو كانت جزيئات المادة أكبر، كان المسار الحر للفوتون أقصر.
اتضح أن الحركة الحرة يمكن أن تتميز بكثافة الإضاءة المنتشرة في زوايا مختلفة. في الورقة التي أعدها سافدي وبرومبرج، أظهر الباحثون أن الحركة الحرة للضوء يمكن استنتاجها بدقة أكبر من شدة التشتت الخلفي المتماسك للفوتونات المتشابكة، مقارنة بالضوء الذي يتصرف بشكل كلاسيكي تمامًا. وكانت دقة القياس أربعة أضعاف دقة التجارب السابقة التي أجريت باستخدام الضوء الكلاسيكي، وبالتالي كسر حاجز كرامر-راو للضوء الكلاسيكي، الذي يصف مدى دقة قياس الكميات الفيزيائية. يوضح هذا الحاجز أن الدقة العالية يتم إنتاجها من الضوء ذو الطول الموجي القصير. ولذلك، يفترض الباحثون أن الحاجز مكسور لأن الفوتونات المتشابكة تتصرف مثل الضوء بنصف طوله الموجي الكلاسيكي.
إن لأبحاث صفدي وبرومبيرج العديد من الآثار العملية في تحديد مستوى تعكر المواد والأنسجة البيولوجية. حرية الحركة حساسة لمجموعة واسعة من الخصائص، مثل التغيرات في درجة الحرارة، وتركيز المواد وظروف الضغط الخارجي. بمساعدة الدورة الضوئية المجانية، من الممكن تشخيص الأنسجة السليمة والأنسجة التي لا تعمل بشكل صحيح. بفضل التحسن في الدقة، يمكن إجراء اختبار أكثر موثوقية ويمكن تجنب التشخيصات الخاطئة.
ويضيف طالب الدكتوراه مأمون صفدي: "إن الظاهرة الكلاسيكية للتشتت الخلفي المتماسك تعتمد على الضوء المتماسك الذي ينير وسط التشتت في اتجاه معين. على الرغم من أن هذه الظاهرة قد تمت دراستها لعقود من الزمن مع وسطاء مختلفين، إلا أن القليل منهم قد نظروا إلى ما يحدث عندما يتم استبدال المصدر بدلاً من الوسيط. إن حقيقة ملاحظة هذه الظاهرة أيضًا مع الفوتونات المتشابكة هي أمر مفاجئ إلى حد ما، نظرًا لأن مصدر الضوء هذا ليس له اتجاه محدد. تضيء أزواج الفوتونات الوسط من عدة زوايا مختلفة."
صرح لنا البروفيسور برومبيرج أن المشروع بدأ بفضول الباحثين لفهم سلوك الضوء وخصائصه الكمومية - "لقد بدأنا العمل في هذا المشروع ببساطة من باب الفضول لمعرفة ما يحدث للفوتونات المتشابكة عندما تكون متناثرة في العكارة التجمعات. ولحسن الحظ، أثناء العمل، اكتشفنا أن التشابك لا يؤدي فقط إلى حالات كمومية مثيرة للاهتمام للفوتونات المتناثرة، بل يمكنه أيضًا تحسين دقة قياس خصائص المادة. في البداية فاجأنا هذا لأننا توقعنا أن تؤدي عمليات التشتت إلى طمس المزايا الكمومية للحالات المتشابكة، ولكن بمساعدة شركائنا من معهد لانجفين في باريس وجامعة جنوب كاليفورنيا، تمكنا من إظهار أن هذا يرجع إلى الخصائص الإحصائية الفريدة للفوتونات المتشابكة.
لقراءة المقال انقر هنا
هل لديك سؤال أو موضوع تود أن أكتب عنه؟ اتصل بي على noamphysics@gmail.com
