سیاری از فناوریهای کوانتومی امروزی به لیزرهای قدرتمندی وابسته هستند که انرژی زیادی مصرف میکنند. با بزرگتر شدن و گسترش این سامانهها، میزان برق موردنیاز آنها میتواند به یک نگرانی جدی تبدیل شود. اکنون پژوهشگران یک جایگزین چشمگیر را به نمایش گذاشتهاند: خود نور خورشید میتواند برای ایجاد درهمتنیدگی کوانتومی میان فوتونها مورد استفاده قرار گیرد.
«درهمتنیدگی کوانتومی برای کاربردهایی مانند ارتباطات امن، حسگری با دقت فوقالعاده بالا و محاسبات با عملکرد بالا اهمیت زیادی دارد.» این موضوع را چنگ لی (Cheng Li)، فارغالتحصیل اخیر دانشگاه اتاوا در کانادا، بیان کرد. «کار ما نشان میدهد که منابع نور طبیعی و فراوان میتوانند برای ایجاد درهمتنیدگی کوانتومی مورد استفاده قرار گیرند. این موضوع میتواند راه را برای توسعه فناوریهای کوانتومی کممصرفتر و در دسترستر هموار کند.»
یافتههای این پژوهش که در مجله Optica، نشریه گروه انتشارات Optica برای تحقیقات برجسته، منتشر شده است، نشان میدهد نور خورشید میتواند درهمتنیدگی کوانتومی قابل مقایسهای با روشهای مبتنی بر لیزر ایجاد کند؛ البته با در نظر گرفتن تفاوت پهنای باند نور ورودی.
این دستاورد حاصل همکاری میان پژوهشهای نظری گروه رابرت بوید (Robert Boyd) در دانشگاه اتاوا و یک متمرکزکننده خورشیدی جدید است که توسط تیم هانیه فتاحی (Hanieh Fattahi) در مؤسسه ماکس پلانک برای علم نور (MPL) در آلمان ساخته شده است.
لی، نویسنده اول مقاله، گفت: “این فناوری در آینده میتواند به ماهوارهها اجازه دهد با استفاده از نور خورشیدی فراوان موجود در فضا، کلیدهای رمزنگاری امن ایجاد کنند. در نتیجه، نیاز به لیزرهای نصبشده روی ماهواره و بخش زیادی از تجهیزات پشتیبان کاهش خواهد یافت.” او افزود: “تولید درهمتنیدگی کوانتومی با استفاده از نور خورشید همچنین میتواند یکی از اجزای مهم موردنیاز برای توسعه رایانش کوانتومی در مقیاس بزرگتر باشد؛ بدون آنکه بار انرژی بیشتری ایجاد کند.”
به چالش کشیدن باورهای رایج درباره نور کوانتومی
دانشمندان بهطور سنتی تصور میکردند تولید همبستگیهای قدرتمند موردنیاز برای درهمتنیدگی کوانتومی فوتونها به نور همدوس نیاز دارد. در نور همدوس، امواج با یکدیگر هماهنگ باقی میمانند و قلهها و درههای آنها از یک الگوی قابل پیشبینی پیروی میکنند.
لیزرها معمولاً برای این منظور مورد استفاده قرار میگیرند؛ زیرا نوری با همدوسی بسیار بالا و متمرکز در یک رنگ مشخص تولید میکنند. پژوهشهای قبلی گروه بوید شروع به به چالش کشیدن این فرض کردند. پژوهشگران ابتدا از نظر نظری پیشبینی کردند و سپس بهصورت تجربی نشان دادند که نور ناهمدوس نیز میتواند درهمتنیدگی کوانتومی ایجاد کند.
آنها در این آزمایشها از یک LED، بهعنوان منبع نور ناهمدوس، استفاده کردند تا فوتونهای دارای درهمتنیدگی قطبشی تولید کنند. این نتایج یک اصل مهم را مشخص کرد. نور میتواند در یک ویژگی، مانند جهت حرکت، نامنظم باشد و همچنان بتواند فوتونهایی تولید کند که از طریق ویژگی دیگری مانند قطبش، با یکدیگر درهمتنیده باشند.
پژوهش جدید این مفهوم را یک گام جلوتر میبرد و نور LED را با نور خورشید جایگزین میکند. نور خورشید چالش بسیار بزرگتری ایجاد میکند؛ زیرا در جهتهای مختلف منتشر میشود و طیف گستردهای از رنگها را در خود دارد.
ایجاد فوتونهای درهمتنیده با نور خورشید
برای تولید فوتونهای درهمتنیده، پژوهشگران از فرایندی شناختهشده در اپتیک به نام تبدیل پارامتری خودبهخودی پایینرو (SPDC) استفاده کردند.در این فرایند نوری، یک پرتو پمپ وارد یک بلور غیرخطی میشود. درون بلور، فوتونهای منفرد میتوانند به جفتهایی از فوتونها تبدیل شوند که قادرند بهصورت کوانتومی با یکدیگر درهمتنیده شوند.
تفاوت اصلی این آزمایش با روشهای معمول، منبع پرتو پمپ بود. تیم پژوهشی بهجای استفاده از لیزر، سامانه را با نور خورشید تغذیه کرد. نور خورشید بهشدت قطبیده شده بود، اما از نظر مکانی و زمانی همچنان بسیار ناهمدوس باقی ماند. میدان کلی نور در یک جهت مشخص نوسان میکرد؛ با وجود اینکه شامل فوتونهایی با رنگهای مختلف بود که در مسیرهای متفاوت حرکت میکردند.
لی گفت: “ما سامانه آزمایشی خود را بهگونهای طراحی کردیم که تفاوتهای ناشی از رنگهای مختلف و جهتهای انتشار، بر قطبش فوتونها تأثیر نگذارد. همانطور که نظریه ما پیشبینی میکند، اگر درهمتنیدگی تنها در قطبش وجود داشته باشد، باید فقط به میزان نظم نوسان میدان پمپ وابسته باشد و نه به جهت یا رنگ آن.”
این طراحی به پژوهشگران اجازه داد تا از نور خورشیدی بسیار ناهمدوس از نظر مکانی و زمانی، درهمتنیدگی کوانتومی قطبشی با کیفیت بالا تولید کنند.
چالش متمرکز کردن نور خورشید
رساندن نور خورشید کافی به بلور غیرخطی بسیار کوچکی که در این آزمایش استفاده شد، مانع مهم دیگری بود. اندازه این بلور تنها حدود یک میلیمتر است و روشهای معمول جمعآوری نور خورشید برای چنین ابعاد کوچکی کاربردی نیستند. تیم فتاحی در مؤسسه ماکس پلانک برای علم نور برای حل این مشکل، یک متمرکزکننده خورشیدی تمامشیشهای طراحی کرد.
این سامانه مخروطیشکل، نور خورشید را با استفاده از یک عدسی فرنل تقریباً به اندازه پنجره یک خانه جمعآوری میکند. سپس نور را به یک فیبر نوری با قطری تقریباً برابر با ضخامت موی انسان هدایت میکند. نور خورشید پس از متمرکز شدن میتواند به سمت بلور غیرخطی بسیار کوچکی هدایت شود که مسئول تولید فوتونهای درهمتنیده است.
نور خورشید درهمتنیدگی کوانتومی قدرتمندی ایجاد میکند
پژوهشگران آزمایشهای مربوط به پیشبینیهای نظری و همچنین عملکرد متمرکزکننده جدید را در یک آزمایش فضای باز در مؤسسه MPL انجام دادند. آنها برای بررسی حالت کوانتومی ایجادشده از توموگرافی حالت کوانتومی استفاده کردند. نتایج نشان داد که درهمتنیدگی ایجادشده با نور خورشید حدود ۹۴ درصد با یک حالت کاملاً درهمتنیده شباهت دارد.
تیم پژوهشی همچنین دریافت که فوتونها همبستگیهایی از خود نشان میدهند که نابرابری بل (Bell’s inequality) را نقض میکنند. این نتیجه اهمیت ویژهای دارد؛ زیرا چنین همبستگیهایی را نمیتوان با فیزیک کلاسیک توضیح داد. در عوض، این یافتهها شواهدی از ایجاد درهمتنیدگی کوانتومی واقعی ارائه میکنند. پس از موفقیت این آزمایش اثبات مفهوم، پژوهشگران اکنون در حال کار روی سامانهای هستند که در نهایت بتواند خارج از محیط آزمایشگاه مورد استفاده قرار گیرد.
تمرکز تلاشهای آنها بر افزایش روشنایی و بهبود بیشتر کیفیت درهمتنیدگی کوانتومی است. این آزمایش بر پایه فرایند SPDC انجام شد، اما پژوهشگران میگویند رویکرد مورد استفاده میتواند با سایر روشهای اپتیک غیرخطی، از جمله اختلاط چهارموجی (Four-Wave Mixing)، نیز کار کند. گسترش این مفهوم به روشهای دیگر میتواند فرصتهای تازهای در حوزه فوتونیک کوانتومی ایجاد کند.
از تردید علمی تا یک آزمایش موفق
این دستاورد همچنین بر تردیدهای قابلتوجهی در جامعه علمی غلبه کرد. بسیاری از پژوهشگران درباره اینکه آیا نور خورشید واقعاً میتواند این فرایند را بهطور عملی هدایت کند، تردید داشتند.
لی گفت: “از زمان آغاز این پروژه، ایده ما بارها با تردید و مخالفت روبهرو شد. حتی برخی از پژوهشگران شناختهشده جهان در این حوزه این پرسش را مطرح کردند که آیا اصلاً امکان شناسایی فوتونها از فرایندهای نوری غیرخطی مبتنی بر نور خورشید وجود دارد یا خیر؛ چه رسد به اینکه بتوان فوتونهای درهمتنیده را شناسایی کرد.”
لی در پایان گفت: “«با این حال، ما به محاسبات خود اعتماد کردیم، به بهبود سامانه آزمایشی ادامه دادیم و در نهایت نشان دادیم که این کار امکانپذیر است.”