أدى الارتباط بين مجموعتين بحثيتين في التخنيون إلى ظهور مجال علمي جديد: المواد الخارقة الكمومية

تم نشر هذا البحث، الذي يعد طفرة في كل ما يتعلق بتجارب المعلومات الكمومية، اليوم في مجلة Science

أدى البحث المشترك الذي أجراه رئيس معهد أبحاث الحالة الصلبة البروفيسور موتي سيغيف من كلية الفيزياء والبروفيسور إيرز هاشمان من كلية الهندسة الميكانيكية إلى ولادة مجال علمي جديد: المواد الخارقة الكمومية. تم نشر النتائج اليوم (13 سبتمبر 2018) في مقال مشترك للباحثين في مجلة Science المرموقة. وشارك في الدراسة الطالبان تومر ستاف وديكلا أورين من مختبر الأبحاث البروفيسور سيجيف والدكتور فلاديمير كلاينر والطالبان أركادي فايرمان والحنان ماجد من مختبر البروفيسور حسنان.

ويوضح البحث لأول مرة إمكانية تطبيق السطوح الوصفية في مجال المعلومات الكمومية والحوسبة الكمومية ويمهد الطريق للعديد من التطبيقات بما في ذلك التشفير الآمن تمامًا. يفتح هذا البحث إمكانية التعاون متعدد التخصصات وتطوير أنظمة المعلومات الكمومية على الشريحة.

المواد الخارقة هي هياكل نانوية مصممة هندسيًا غير موجودة في الطبيعة، وإحدى فئاتها الفريدة هي مجموعة الأسطح الوصفية. هذه هياكل اصطناعية رفيعة جدًا، ثنائية الأبعاد، تم إنتاجها بتقنيات مبتكرة والغرض منها هو الحصول على تفاعلات فريدة مع الضوء. استخدام هوائيات بصرية نانومترية أصغر بكثير من الطول الموجي. تتيح التكنولوجيا التي طورها البروفيسور هاسمان في مختبره بناء أسطح عازلة دقيقة للغاية مصنوعة من السيليكون الشفاف، بدون معادن، ولا تمتص الضوء.

لقد تعامل البحث البصري في الأسطح الخارقة حتى الآن فقط مع الضوء "العادي" المنبعث من مصباح طاولة أو جهاز ليزر، أي الضوء الكلاسيكي (الموجات الكهرومغناطيسية). في العمل الحالي، أظهر باحثو التخنيون لأول مرة في التاريخ استخدام الأسطح الفوقية في البصريات الكمومية (الضوء كتيار من الجسيمات الكمومية تسمى الفوتونات) والمعلومات الكمومية. أظهر الباحثون استخدام الأسطح الخارقة لإنشاء التشابك الكمي، وهو العنصر الأكثر أهمية في الاتصالات الكمومية والحوسبة الكمومية والتشفير الكمي.

يقول أستاذ الأبحاث سيجيف، أحد مؤسسي مركز هيلين ديلر الكمي للعلوم والمواد والهندسة: "في هذا البحث، أدخلنا مجال المواد الخارقة إلى عالم المعلومات الكمومية". "نحن نستغل هنا لأول مرة الخصائص الفريدة للمواد الخارقة لإنشاء الضوء الكمي والتحكم فيه. يمكننا الآن هندسة الخصائص الكمومية للضوء من خلال تصميم وتصنيع والتحكم في المواد التي ينتقل من خلالها. في الواقع، وُلد هنا مجال علمي جديد سيمكن من تصغير أنظمة المعلومات الكمومية بشكل كبير جدًا وتطوير مجموعة متنوعة من الخيارات لمعالجة الضوء الكمي بطرق لا تسمح بها المواد العادية. إذا قمنا في الماضي بإنشاء مثل هذه الأنظمة على طاولات كبيرة، فيمكننا الآن بنائها على شرائح صغيرة يتم فيها دمج المواد الاصطناعية.

وفقا للبروفيسور هاسمان، "المكون الرئيسي هنا هو سطح معزول يخلق التشابك بين الفوتونات. يجب أن يكون السطح الميتا مصنوعاً من مواد شفافة (السيليكون) غير موصلة ولا تمتص الضوء، ولذلك يستحيل إنتاجه من المعدن. وفي الواقع، أخذنا سطحًا وشوهناه، ​​أي أحدثنا له تشوهًا مكانيًا، وبالتالي تم إنشاء مجال مغناطيسي فعال يخلق الارتباط المطلوب، أي التشابك. وهذا إنجاز كبير لكلا الفريقين".

أظهر الباحثون استخدام المواد الخارقة لخلق التشابك، وهي ظاهرة يتصرف فيها جزيئين (الفوتونات في هذه الحالة) كتوائم جسدية يؤثر كل منهما على الآخر حتى عندما تكون المسافة بينهما ضخمة. يؤثر الإجراء الذي يتم إجراؤه على فوتون واحد على الفور (دون فارق زمني) على الفوتون المزدوج. ترى ميكانيكا الكم أن الفوتونات موجودة في حالات دوران موجبة وسالبة في نفس الوقت، ولكن بمجرد قياسها فإنها تحصل على حالة واحدة. التشبيه الشهير هو "قطة شرودنغر"، الذي قدمه إيرفينغ شرودنغر الحائز على جائزة نوبل - وهو تشبيه يعيش فيه القط ويموت في نفس الوقت حتى لحظة فتح الصندوق الذي وجد فيه.

كما ذكرنا سابقًا، يعتمد البحث الحالي على التعاون بين اثنين من المختبرات الرائدة في التخنيون. قام الباحثون بتسليط شعاع ليزر على البلورة غير الخطية لإنشاء أزواج من الفوتونات تتميز بزخم زاوي صفر ويتميز كل منها باستقطاب خطي مختلف. كل استقطاب خطي هو مجموع الاستقطاب الدائري الأيمن والاستقطاب الدائري الأيسر، وهو ما يتوافق مع الدوران الموجب والسالب. قام النظام بتوجيه زوج الفوتونات إلى سطح خارق، وأدى التفاعل بين الضوء والمادة إلى تشابك الفوتونين.

في التجربة الأولى، قام الباحثون بتقسيم أزواج الفوتون، أحدهما عبر السطح الفائق والآخر عبر الكاشف. ثم قاموا بقياس الفوتون الوحيد الذي مر عبر السطح الفائق، ووجدوا أنه طور زخمًا زاويًا مداريًا متشابكًا مع دورانه. في التجربة الثانية، تم نقل أزواج الفوتون عبر السطح العلوي وقياسها باستخدام كاشفين. اكتشف الباحثون أن دوران أحد الفوتونات في الزوج أصبح متشابكًا مع الزخم الزاوي المداري للفوتون الآخر، والعكس صحيح.

تنافس مع مجموعات بحثية من جميع أنحاء العالم - واربح
وفقا للأستاذ سيجيف وحسن، "لقد ولدت الدراسة الحالية من فكرة اثنين من طلاب الماجستير لدينا - تومر ستاف وأركادي فايرمان. لقد جاءوا إلينا بفكرة مبتكرة ورائدة أدت إلى اتجاهات جديدة للبحث والتطبيق، على سبيل المثال أنظمة المعلومات الكمومية على الشريحة والتحكم في الخصائص الكمومية بطرق مستحيلة تمامًا في المواد العادية. لقد قام هؤلاء الشباب بعمل رائع في جدول زمني قصير. لقد تنافسنا ضد مجموعات بحثية كبيرة جدًا من جميع أنحاء العالم وتمكنا من الفوز".

الطالبان، لم يبلغا من العمر 30 عامًا بعد، صديقان قديمان حصلا في نفس الوقت على درجة البكالوريوس في التخنيون - تومر في برنامج التميز في كلية الفيزياء وأركادي في تخصص البصريات في كلية الهندسة الميكانيكية. وفي نهاية درجة البكالوريوس، حصلوا على درجة الماجستير في مختبرات الأبحاث البروفيسور سيجيف والبروفيسور حسنان، على التوالي. أثناء دراستهم للحصول على درجة الماجستير، قاموا بتصور وتنفيذ هذه الدراسة.

تم إجراء البحث في مركز هيلين ديلر الكمي للعلوم والمواد والهندسة في التخنيون. كلا المجموعتين البحثيتين تابعتان لمعهد راسل بيري لأبحاث تكنولوجيا النانو في التخنيون (RBNI) ولكلا الباحثين العديد من المنشورات السابقة في العلوم.

الأبحاث البروفيسور موتي سيغيف، الحائز على جائزة إسرائيل لأبحاث الكيمياء والفيزياء لعام 2014، هو رئيس كرسي الدكتور بوب شيلمان في كلية الفيزياء وأحد مؤسسي مركز هيلين ديلر الكم للعلوم والمواد والهندسة في التخنيون. البروفيسور سيجيف هو عضو في الأكاديمية الوطنية الإسرائيلية للعلوم وعضو في الأكاديمية الأمريكية للفنون والعلوم.

حصل البروفيسور إيريز هاسمان على درجة الدكتوراه في معهد وايزمان ثم عمل وقاد التطوير لمدة عقد من الزمن في الصناعة المدنية والدفاعية. في عام 1998، تم تعيينه عضوًا في هيئة التدريس في كلية الهندسة الميكانيكية في التخنيون، وأسس تخصص الهندسة البصرية في الكلية ويشغل حاليًا منصب رئيس مختبر البصريات الدقيقة والنانوية ورئيس كرسي شليزنجر. وفي عام 2001، وضع فريقه البحثي الأسس لمجال الأسطح الضوئية، والذي يعتبر حاليًا أحد أهم المجالات في مجال البصريات.

لمقالة في العلوم