جداسازی موفقیت‌آمیز یک کوانتوم نوری از تابش لیزری

پژوهشگران دانشگاه ارهاس و دانشگاه دانمارک جنوبی توانستند با همکاری یکدیگر راهی برای جدا‌کردن یک کوانتوم نور از یک بیم (پرتو یا تابش) لیزری پیدا کنند. این پژوهش به‌تازگی در Physical Review Letters منتشر شده است. این روش، راهی را برای پیشرفت ارتباطات و محاسبات کوانتومی و کاربرد‌ها‌ی آن‌ها در تکولوژی آینده باز می‌کند.

نور از بسته‌ها‌ی غیر‌قابل تقسیم و کوچک انرژی یا ذرات کوچک انرژی به نام فوتون ساخته شده است. یکی از ویژگی‌ها‌ی قابل تعریف فوتون‌ها این است که با یکدیگر بر‌هم‌کنش ندارند و بدون تغییر از کنار یکدیگر می‌گذرند. این ویژگی در ارتباطات کوانتومی، بسیار مفید و تاثیر‌گذار است؛ چرا که امکان ارتباطات و انتقالات اپتیکی داده‌ها در فواصل بسیار دور را با اتلاف بسیار کم فراهم می‌کند. با این حال، ایجاد امکان بر‌هم‌کنش دو فوتون به‌طوری که یکی از فوتون‌ها بر انتشار یا حالت دیگری تاثیر بگذارد، در ایده‌ها‌یی در رابطه با پردازش داده‌ها‌ی کوانتومی بسیار تاثیر‌گذار خواهد بود.

در سال‌ها‌ی اخیر، گاز‌ها‌ی اتمی فوق سرد، امکان دست‌کاری نور را فراهم کرده است. برای مثال، پژوهشگران با استفاده از تکنیکی به‌نام واداشتگی الکرتومغناطیسی فرانمایی (Electromagnetically induced transparency)، توانسته‌اند سرعت انتشار نور را دچار تغییر کنند و آن را به حد چند متر بر ثانیه برسانند. 

شاید بتوان با تبدیل فوتون به یک بر‌انگیختگی اتمی در یک محیط، این اثر را بسیار محسوس‌تر کرد. با انجام این فرایند به‌صورت وارونه و رصد فرایند بازگشت بر‌انگیختگی به حالت فوتونی، یک حافظه‌ی کوانتومی شکل می‌گیرد. به‌طوری که می‌توان در هر زمان، فوتون‌ها را ذخیره و دوباره باز‌یابی کرد.

تیم پژوهشی دانشگاه ارهاس با همکاری موسسه‌ی کوانتومی دانشگاه مریلند، توانستند به‌همین روش یک حافظه‌ی کوانتومی بسازند. این تیم پژوهشی برای ساخت این حافظه از گاز اتمی خاصی استفاده کردند که اتم‌ها‌ی آن دچار بر‌هم‌کنش شدید می‌شوند.

این فرایند باعث می‌شود که هر‌کدام از فوتون‌ها دیگری را آشکار‌سازی کند و به پژوهشگران امکان دست‌کاری غیر‌خطی نور را می‌دهد. این گروه با استفاده از همین ایده، راهی برای جدا کردن یک فوتون نور از یک بیم اپتیکی با استفاده از بیم اپتیکی دیگر یافته‌اند.

ایده‌ی کلی به این صورت است که ابتدا یک میدان اپتیکی را ذخیره می‌کنند و سپس میدان اپتیکی دیگری را به محیط می‌فرستند. فوتون‌ها‌ی بیم دوم فوتون‌ها‌ی ذخیره‌شده را آشکار‌سازی کرده و به‌گونه‌ای با آن‌ها بر‌هم‌کنش می‌کنند که یک فوتون تنها می‌تواند باز‌یابی شود. در این صورت، بیم فوتونی اولیه بعد از فرایند، در حالت کوانتومی خاصی قرار می‌گیرد که کاربرد بسیاری در صنعت و تکنولوژی خواهد داشت. 

ایده‌ی ایجاد تغییرات در فوتون‌ها با استفاده از حافظه‌ها‌ی غیر‌خطی کوانتومی، کاربرد بسیاری در علم اطلاعات کوانتومی خواهد داشت. با اینکه مطالعه‌ی زیادی لازم است تا بتوان ایده‌ها‌ی موجود را عملی کرد، طرح کنونی جدا‌سازی تک فوتون از بیم لیزری، گام مهمی در تکنولوژی کوانتومی وابسته به بر‌هم‌کنش‌ها‌ی فوتونی خواهد بود.