هل تم العثور على الطريق لتطوير السيف الضوئي لفرسان الجيداي والسيث؟

علماء من جامعة هارفارد ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يرون الضوء بعيون جديدة

يتحدى علماء من جامعة هارفارد ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) مفهوم الضوء كما يعرفه العلماء اليوم، وهم يفعلون ذلك دون الذهاب إلى المجرات البعيدة جدًا.

تمكنت مجموعة من العلماء بقيادة أستاذ الفيزياء في جامعة هارفارد ميخائيل لوكين وأستاذ الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا فلادان فيوليتيك، من إجبار الفوتونات على الانضمام معًا لتكوين جزيئات - وهي آلية كانت موجودة حتى وقت قريب من الناحية النظرية فقط. تم وصف نتائج البحث في مقال نشر في مجلة الطبيعة العلمية المرموقة.

ويوضح الباحث الرئيسي أن هذا الاكتشاف يتناقض مع عقود من المعرفة المقبولة حول طبيعة الضوء. توصف الفوتونات بأنها جسيمات عديمة الكتلة ولا تتفاعل مع بعضها البعض، على سبيل المثال - إذا قمت بتسليط شعاعي ليزر متقابلين، فإنهما ببساطة يمران عبر بعضهما البعض. ومع ذلك، فإن "الجزيئات الضوئية" تتصرف بشكل أقل شبهاً بالليزر العادي وأكثر شبهاً بعنصر معروف من أفلام حرب النجوم، وخاصة حرب النجوم، وهو السيف الضوئي [سلاح خيالي في عالم حرب النجوم. هذا هو السلاح التقليدي لفرسان الجيداي والسيث. السيف الضوئي هو سيف يتكون نصله من الطاقة الضوئية الناتجة من البلورة، ويمكنه قطع أي مادة أخرى].

وفي نفس الموضوع على موقع العلوم

• الكثبان الرملية التونسية تهدد تطاوين
• خيال ريغان
• من الخيال العلمي إلى العلم الحقيقي
• وصل السيف الضوئي الخاص بـ Luke Skywalker بأمان

يوضح الباحث الرئيسي: "معظم خصائص الضوء، كما نعرفها، تنشأ من حقيقة أن الفوتونات عبارة عن جسيمات عديمة الكتلة ولا تتفاعل مع بعضها البعض". "ما فعلناه هو إنشاء نوع خاص من الوسط الذي تتفاعل فيه الفوتونات مع بعضها البعض بكثافة كبيرة كما لو كانت لها كتلة، ونتيجة لذلك تتحد معًا لتشكل جزيئات. وكان هذا النوع من الحالة الضوئية موضوع مناقشات نظرية لفترة طويلة، ولكن لم يكن هناك أي دليل على وجودها حتى الآن. يوضح الباحث الرئيسي: "إنه ليس مثل السيف الضوئي تمامًا". "عندما تتفاعل هذه الفوتونات مع بعضها البعض، فإنها تدفع ضد بعضها البعض وتسبب انحرافها المتبادل. إن الفيزياء وراء هذه الآلية تشبه ما نراه في أفلام MDB."

من أجل جعل الفوتونات عديمة الكتلة تتواصل مع بعضها البعض، لم يتمكن الباحثون من استخدام "القوة" الخيالية - وبدلاً من ذلك استخدموا ظروفًا أكثر تطرفًا. بدأ الباحثون تجربتهم بحقن ذرات الروبيديوم في حجرة مفرغة ثم استخدموا أشعة الليزر لتبريد "سحابة" الذرات إلى عدة درجات فوق الصفر المطلق. ثم، باستخدام أشعة ليزر ضعيفة للغاية، قاموا بإرسال فوتونات فردية إلى سحابة الذرات. وبمجرد أن تخترق الفوتونات سحابة الذرات الباردة، فإن طاقتها تثير الذرات في طريقها، مما يؤدي إلى إبطاء سرعة الفوتونات نفسها بشكل كبير. عندما يمر الفوتون عبر السحابة، تنتقل هذه الطاقة من ذرة إلى ذرة، وتنبعث في النهاية من السحابة مع الفوتون الصادر.

يوضح الباحث الرئيسي: "عندما يغادر الفوتون هذا الوسط الخاص، تظل هويته محفوظة". "إنها مثل الآلية التي نراها عندما ينكسر الضوء من خلال كوب من الماء - يخترق الضوء من خلال الماء، وينقل جزءًا من طاقته إلى الوسط وداخل الوسط يوجد على شكل ضوء والمادة معًا. ومع ذلك، عندما ينبعث هذا الضوء، فإنه لا يزال يخرج كضوء. والعملية التي تحدث هي نفسها، ولكنها تحدث في ظل ظروف أكثر قسوة إلى حد ما، حيث يتباطأ الضوء إلى حد كبير، وهناك تحول أكبر بكثير للطاقة من عملية أشعة الضوء في الماء. عندما أرسل الباحثون فوتونين إلى سحابة الذرات، فوجئوا بأنهم خرجوا معًا كجزيء واحد.

يكمن تفسير الباحثين لهذه الظاهرة في المفهوم الكمي المسمى "حصار ريدبيرج" [انظر أيضًا الإنتاج الفعال للفوتونات المنفصلة للحوسبة الكمومية]، والذي ينص على أنه عندما تكون الذرة مثارة بقوة، فإن الذرات المجاورة لها لا يمكن أن تستثار بنفس القدر. مستوى الطاقة. ومن الناحية العملية، هذا يعني أنه عندما يخترق فوتونان سحابة الذرات، فإن الأول منهما يثير ذرة، لكن هذا الفوتون يجب أن يتحرك للأمام قبل أن يتمكن الثاني من إثارة الذرات المجاورة له. والنتيجة، كما يوضح الباحث الرئيسي، هي أن الفوتونين يدفعان ويسحبان بعضهما البعض عبر سحابة الذرات بينما تنتقل طاقتهما من ذرة إلى أخرى. يوضح الباحث الرئيسي: "هذه تفاعلات ضوئية تتوسطها تفاعلات ذرية". "هذه الظاهرة تجعل الفوتونين يتصرفان بشكل مشابه للجزيء، وعندما ينبعثان من الوسط فمن الأرجح أن يخرجا معًا من كل واحد بدوره."

وعلى الرغم من أن هذه الظاهرة غير عادية، إلا أنه لا يزال هناك تطبيقات عملية لها. يقول الباحث الرئيسي: "نحن نفعل ذلك من أجل المتعة، وأيضًا لتوسيع حدود العلم". "ومع ذلك، لا يزال يتم ذلك ضمن الدراسة الشاملة للفوتونات التي ترى أن الفوتونات لا تزال أفضل وسيلة ممكنة لنقل المعلومات الكمومية. والفشل حتى الآن هو أن الفوتونات لا تتفاعل مع بعضها البعض."

ويشير الباحث الرئيسي إلى أنه من أجل بناء حاسوب كمي، سيحتاج الباحثون إلى بناء نظام يمكنه تخزين المعلومات الكمومية ومعالجتها باستخدام عمليات المنطق الكمي. ومع ذلك، يكمن التحدي في حقيقة أن المنطق الكمي يتطلب تفاعلات بين حزم منفصلة من الكميات بحيث يمكن تمييز الأنظمة الكمومية من أجل معالجة المعلومات. يوضح الباحث الرئيسي: "ما أظهرناه في تجربتنا يسمح لنا بفعل ذلك بالضبط". «قبل أن نتمكن من تطوير مفتاح أو بوابة منطقية كمومية تتسم بالكفاءة والعملية، يجب علينا تحسين أداء نظامنا؛ ولا تزال الفكرة في بداياتها، لكنها خطوة مهمة على هذا الطريق الطويل. إن المبادئ الفيزيائية التي أظهرناها هنا مهمة للغاية."

يمكن أن يكون النظام مفيدًا حتى في الحوسبة الكلاسيكية، كما يشير الباحث الرئيسي، وذلك في ضوء التحديات التي تواجه صناعة الرقائق اليوم. تعمل العديد من شركات الكمبيوتر، بما في ذلك شركة IBM، على تطوير أنظمة تعتمد على أجهزة التوجيه الضوئية التي تحول الإشارات الضوئية إلى إشارات كهربائية، ولكن هذه الأنظمة لها حدودها. ويعتقد الباحثون أن نظامهم يمكن استخدامه يومًا ما لإنشاء هياكل معقدة ثلاثية الأبعاد، على سبيل المثال البلورات، من الضوء وحده.

ويقول الرائد: "ما زلنا لا نعرف ما هي الاستخدامات المستقبلية، ولكن ما اكتشفناه هو حالة جديدة للمادة، لذلك نأمل أن يتم اكتشاف تطبيقات جديدة بينما نواصل البحث عن هذه الأنظمة الضوئية". الباحث. الأخبار المتعلقة بالدراسة

لإشعار الباحثين