الإنتاج الفعال للفوتونات المنفصلة للحوسبة الكمومية

نجح الفيزيائيون، بمساعدة الليزر الذي يثير ذرة واحدة من غاز الروبيديوم فائق التبريد، في تطوير طريقة مبتكرة لإنتاج فوتونات منفصلة بسرعة وكفاءة، وهي فوتونات يمكن استخدامها في معالجة المعلومات الكمومية للبصريات، وكذلك وفي مجالات بحثية مهمة أخرى

نجح الفيزيائيون، بمساعدة الليزر الذي يثير ذرة واحدة من غاز الروبيديوم فائق التبريد، في تطوير طريقة مبتكرة لإنتاج فوتونات منفصلة بسرعة وكفاءة، وهي فوتونات يمكن استخدامها في معالجة المعلومات الكمومية للبصريات، وكذلك في مجالات بحثية مهمة أخرى.

تستفيد التقنية الجديدة من الخصائص الفريدة للذرة، فهي تحتوي دائمًا على إلكترون واحد أو أكثر يثيرها إلى مستوى التأين الكامل تقريبًا (حالة تُعرف باسم "حالة ريدبيرج"). تتمتع الذرات في هذه الحالة شديدة الإثارة بخصائص كهرومغناطيسية بارزة وتتفاعل بقوة مع بعضها البعض. تسمح هذه الحقيقة لذرة ريدبيرج (ذرة تحتوي على إلكترون موجود في هذه الحالة الكمومية) بحظر المعلومات الناشئة عن ذرات أخرى قابلة للإثارة تقع على مسافة 20-10 ميكرون منها.

في الخطوة التالية، يمكن تحويل ذرة ريدبيرج الفردية هذه إلى فوتون، وبالتالي ضمان - في المتوسط ​​- أن يتم توليد فوتون واحد من مجموعة ذرات الروبيديوم التي تحتوي على مئات الذرات المتراصة بإحكام. يعد إنتاج فوتون واحد بخصائص معروفة خطوة مهمة للعديد من مجالات البحث، بما في ذلك أنظمة المعلومات الكمومية.

وتم نشر نتائج الدراسة، التي دعمتها مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية (NSF) وإدارة البحث العلمي بالقوات الجوية الأمريكية (AFOSR)، في النسخة الإلكترونية من المجلة العلمية المرموقة Science (Science Express).

يوضح أليكس كوزميتش، الأستاذ في كلية الفيزياء بجامعة جورجيا: "نحن قادرون بكفاءة عالية على تحويل الحالات المثارة من نوع ريدبيرج إلى فوتونات مفردة، مما يسمح لنا بالوصول إلى الحالة الإلكترونية التي نهتم بها في أي لحظة نريدها". معهد التكنولوجيا. "يوفر النظام الجديد منصة غنية لدراسة الحالات الإلكترونية للذرات والدوران والفوتونات.

قام فريق العلماء بدراسة أنظمة المعلومات الكمومية بناءً على رسم خرائط المعلومات من الذرات التي يتم تحويلها إلى أزواج متشابكة من الفوتونات. ومع ذلك، فإن الطريقة التي استخدموها لإنشاء الفوتونات (تشتت رامان) لم تكن فعالة بما فيه الكفاية وفشلت في توفير عدد الفوتونات المتشابكة المطلوبة للأنظمة المعقدة. يوضح الباحث: "مصدر الفوتون هذا أسرع بألف مرة من الأنظمة الموجودة".

من أجل إنتاج ذرة ريدبيرج، استخدم الباحثون شعاع ليزر تم تسليطه على مجموعة مضغوطة من مئات ذرات الروبيديوم التي تم تبريدها سابقًا بواسطة الليزر وحصرها في شبكة بصرية. تسبب شعاع الليزر في دخول ذرة واحدة من المجموعة بأكملها إلى حالة ريدبيرج. تتفاعل الذرات المثارة لحالة ريدبيرج بقوة مع ذرات ريدبيرج الأخرى وتحت ظروف مناسبة يمكنها تغيير طاقات المستويات الذرية وتمنع تحول ذرة أخرى إلى حالة ريدبيرج - وهي الظاهرة المعروفة باسم "حجب ريدبيرج". تظهر ذرات ريدبيرج هذه التفاعلات القوية في نطاق 20-10 ميكرون. ومن خلال قصر المجموعة الأصلية لذرات الروبيديوم على هذا النطاق من المسافات، تمكن الباحثون من ضمان عدم إنشاء أكثر من ذرة واحدة من هذا القبيل في المرة الواحدة. يوضح الباحث: "تحتاج ذرة ريدبيرج المثارة إلى مساحة حول نفسها ولا تسمح لذرات ريدبيرج الأخرى بالاقتراب منها". "كان لمجموعتنا حجم محدود، لذلك لم نتمكن من احتواء أكثر من ذرة واحدة في الحجم المتاح."

وبمجرد إنشاء ذرة شديدة الإثارة، استخدم الباحثون مجال ليزر إضافي لتحويلها إلى ضوء. نظرًا لأن الشعاع تم إنشاؤه بواسطة Atom Rydberg، فهو يتضمن فوتونًا واحدًا، والذي يمكن استخدامه في مجموعة متنوعة من المجالات، مثل البوابات المنطقية الكمومية المستخدمة في أنظمة المعلومات الكمومية.

أخبار الدراسة