قد تكون الطريقة الجديدة لالتقاط الفوتونات المفردة خطوة على الطريق نحو الذاكرة الكمومية
كيف توقف الضوء عن حركته وتحتفظ به ولو لجزء من الثانية؟ قد تكون هذه القدرة ضرورية للأنظمة البصرية الكمومية المستقبلية، مثل الاتصالات الآمنة والأنواع الجديدة من تكنولوجيا المعلومات. مجموعة بحثية بقيادة د عوفر فورستنبرج وفي معهد وايزمان، قدمت مؤخرًا طريقة يتم من خلالها التقاط جسيمات الضوء الفردية - الفوتونات - وإطلاقها عند الطلب بطريقة يمكن استخدامها في المستقبل كذاكرة للمعلومات الكمومية.
يوضح الدكتور فورستنبرج، من قسم فيزياء الأنظمة المعقدة: "يمكن للفوتونات أن تحمل المعلومات تمامًا مثل الإلكترونات". "بالإضافة إلى ذلك، يمكنهم السفر لمسافات طويلة، مثل الألياف الضوئية، دون فقدان المعلومات." ولهذا السبب قد تكون الأنظمة المعتمدة على الفوتون أفضل من الأنظمة الإلكترونية لتقنيات الاتصالات والاستشعار عن بعد المستقبلية. كما هو الحال مع الأنظمة الإلكترونية، تحتاج الأنظمة الضوئية إلى حزم ومزامنة عدة وحدات من المعلومات. لإنشاء مثل هذه "حزم المعلومات"، يلزم التحكم في توقيت انبعاث الفوتونات. الأجهزة الموجودة – مصادر الضوء – قادرة على إطلاق فوتونات مفردة، لكنها تفعل ذلك بشكل عشوائي؛ لا توجد طريقة للتنبؤ بدقة بموعد انبعاث الفوتون أو المدة التي سيستغرقها حدوث الإصدار التالي. إحدى طرق التعامل مع هذا النقص في التحكم هي إيجاد طريقة لالتقاط الفوتونات وإطلاقها عند الطلب، أي تخزين جزيئات الضوء مؤقتًا.
على الرغم من أن الدكتور فورستنبرج وفريقه البحثي ليسوا أول من قام بتخزين الفوتونات، إلا أنهم أول من فعل ذلك بطريقة تعمل في درجة حرارة الغرفة وهي أيضًا سريعة نسبيًا وفعالة للغاية وخالية من الضوضاء (أي دون تشويه المعلومات ). يطلقون على نظامهم اسم "FLAME" (ذاكرة السلم السريع)، ويتكون من مصادر ليزر وكمية صغيرة من الغاز الذري النقي - في هذه الحالة، من عنصر الروبيديوم. وتعمل إلكترونات ذرات الروبيديوم بمثابة "ذاكرة فوتونية"، وتستخدم نبضات ليزر قوية في عمليتي الكتابة والقراءة. يتم تخزين الفوتونات الطائرة أولاً في إلكترونات مثارة، والتي يتحرك مدارها حول النواة بمقدار مستوى واحد للخارج. وبعد بضع عشرات من النانو ثانية - وهي فترة طويلة بما يكفي لمزامنة الإخراج من العديد من مصادر الفوتون السريعة - تتم قراءة الذاكرة، وتعود الإلكترونات إلى حالتها الأساسية والفوتونات إلى حركتها السريعة.
"هذا ليس نظامًا دقيقًا يعمل فقط في الفراغ العالي أو في درجات حرارة منخفضة جدًا. وفي نهاية المطاف، سنكون قادرين على وضع مثل هذا النظام في شيء بحجم الهاتف الخليوي".
ويوضح العلماء أنه بما أن ما يدخل هو أيضًا ما يخرج، فإن "Flame" يعتبر نظامًا خاليًا تمامًا من الضوضاء - أي بدون اضطرابات غير مرغوب فيها شائعة في مثل هذه الأنظمة. "إن الفوتونات المنبعثة من الإلكترونات هي نفسها التي نضعها فيها، ولها نفس الخصائص واتجاه الحركة تمامًا. لذا فإن واحدًا فقط من بين 10,000 قد يكون فوتونًا لم نضعه. يقول الطالب ران فينكلستين، الذي قاد البحث في مختبر الدكتور فورستنبرغ، جنبًا إلى جنب مع الدكتور إيلون فوم: "كذاكرة كمومية، يعد هذا نظامًا رائعًا". هذه النتائجتم نشرها مؤخرا في المجلة العلمية علم السلف في نفس الوقت الذي ظهرت فيه نتائج تجارب مماثلة أجريت في جامعة أكسفورد في بريطانيا العظمى.
ويحتل النظام التجريبي حاليا طاولة كبيرة - معظمها مغطى بأشعة الليزر والمرايا والعدسات، ولكن الالتقاط الفعلي يتم في حاوية بحجم الإبهام. في النهاية، يأمل العلماء في تقليل هذه العملية إلى الحد الأدنى: حيث يمكن احتجاز غاز ذري يحتوي على مليارات الذرات في مساحة محكمة الإغلاق تبلغ مساحتها ملليمترًا مكعبًا واحدًا، وبما أن الذرات تعود إلى حالتها الأصلية، فيمكن إعادة استخدامها تقريبًا دون حدود. يقول فينكلستين: "في الواقع، نحتاج فقط إلى ثلاثة مكونات: مصدر الفوتون، وسحابة الغاز المحاصرة، والليزر القوي". "هذا ليس نظامًا دقيقًا يعمل فقط في فراغ عالٍ جدًا أو في درجات حرارة منخفضة جدًا. وفي النهاية، سنكون قادرين على وضع مثل هذا النظام في شيء بحجم الهاتف الخليوي".
وفي المستقبل البعيد، قد تستفيد فكرة استخدام الفوتونات لنقل المعلومات في عمليات مثل الحوسبة الكمومية أو الاتصالات أو الاستشعار من أحد الجوانب الغريبة في فيزياء الكم - وهي الظاهرة المعروفة باسم التشابك الكمي. عندما يتشابك جسيمان فمن المستحيل وصف الجزيئات كأنظمة منفصلة، ولا يمكن وصفها إلا كنظام واحد موزع على عدة أماكن. يقول الدكتور فوم: "إذا كانت الفوتونات المحاصرة متشابكة سابقًا مع فوتونات أخرى على مسافة ما، فسيكون هذا بمثابة اتصال كمي بالمعنى الحقيقي للكلمة - كونه يعتمد على مبادئ ميكانيكا الكم التي لا يمكن رؤيتها في العالم اليومي". سيكون من المستحيل تقريبًا تعطيل الاتصال الكمي، إذا أمكن تطويره، لذلك يعتقد الباحثون أنه سيكون مفيدًا بشكل خاص لطرق التشفير الجديدة.
يخطط الدكتور فورستنبرغ وفريقه البحثي لاختبار الفوتونات المتشابكة في مصفوفة "اللهب"، ولديهم أيضًا أفكار إضافية لتجارب جديدة في نظامهم البصري الكمي. على سبيل المثال، يعتزمون إنشاء مكونات أكثر تعقيدًا، مثل البوابات المنطقية للمعلومات المحمولة في الفوتونات المخزنة.
يقول الدكتور فورستنبرج: «على الرغم من أننا ما زلنا لا نعرف أي أنظمة المعلومات الكمومية ستحظى بالعرض الأول، إلا أن هناك بعض الأشياء التي نعرفها عن الفوتونات الأكثر ملاءمة. على سبيل المثال، اعتمد الاكتشاف الأخير لموجات الجاذبية في مجرة بعيدة على أجهزة استشعار بصرية قوية. كما أن رسائلنا الاتصالية تُرسل اليوم بالفعل باستخدام موجات ضوئية عبر ألياف ضوئية رفيعة؛ يمكن أن تنتقل "البتات الكمومية" الضوئية في ألياف مماثلة. لذلك، قد يكون لأنظمة الذاكرة الكمومية المعتمدة على فوتونات مفردة تطبيقات في المستقبل المنظور. ربما لن تكون معالجة المعلومات الكمومية الحقيقية باستخدام الفوتونات ممكنة إلا في المستقبل البعيد، لكن البحث الحالي يجعل هذا المستقبل أقرب.
للمزيد حول هذا الموضوع على موقع العلوم:
تعليقات 6
لوريم إيبسوم
ما تصفه هو بالضبط الليزر. ومن الواضح أن هذه عملية أكثر دقة من الليزر العادي، على الرغم من عدم وصفها.
كونان، في التأثير الكهروضوئي، ينشأ تيار كهربائي نتيجة سقوط الضوء على المعدن - ويخرج الإلكترون من الذرة نتيجة تأثير الفوتون. هنا لا يرتفع الإلكترون "فقط" إلى مستوى أعلى نتيجة للفوتون فحسب، ولكن عندما يهبط وينبعث الفوتون، فإنه ينبعث في الاتجاه والتوقيت الذي يحتاجون إليه بالضبط.
يجال
هذا ليس ما يقوله المقال.
تقول "الغاز الذري النقي". أي أن الغاز المكون من ذرات (الأكسجين والهيدروجين وما إلى ذلك) ليس غازات من ذرات، بل من جزيئات. يحتوي هذا الغاز على نوع واحد فقط من الذرات. ونوع الذرة في هذه الحالة هو الروبيديوم.
زملائي الأعزاء،
ففي نهاية المطاف، ما تم وصفه هنا هو التأثير الكهروضوئي ولا شيء غيره، ولهذا السبب حصل السيد ألبرت أينشتاين بالفعل على جائزة نوبل!
هل انا مخطئ؟ وإذا كان الأمر كذلك - فما هو الابتكار في هذا المنشور، حيث يتم امتصاص الفوتونات بواسطة الإلكترونات الموجودة في الذرة، مما يسبب إثارة هذه الإلكترونات وبعد فترة من الزمن انبعاث كمية من الطاقة مماثلة لتلك التي تم امتصاصها - بسبب تكميم مستويات الطاقة الذرية للإلكترونات الموجودة في الذرة؟!؟ ولماذا تحتاج إلى "نبضات ليزر قوية" لذلك؟ أعني، ما العيب في الليزر العادي أو المصغر؟ وبالمناسبة، فإن لعبة الليغو التي أكدت وجود موجات الجاذبية (والتي ولدت أيضاً في مطبخ ألبرت أينشتاين) لا علاقة لها إطلاقاً بالتقاط الفوتونات وإثارة الإلكترونات في غاز ذري رقيق!!! وأخيرًا - دائمًا ما يبدو ذكر تأثير "التشابك الكمي" رائعًا، على الرغم من عدم وجود تفسير هنا لكيفية التقاط الفوتونات المتشابكة فقط!!!
صديقي ما هو غاز الروبيديوم النقي؟؟(ما هو غير النقي؟)
كيف يمكن بضغطة زر صغيرة أن تجعل الأشياء تتحرك بسرعة الضوء؟ (الفوتونات) أليس هناك نوع من الانتهاك المعروف لدينا لقوانين الفيزياء؟