منبع نور دو پرتو نور درهم‌تنیده تولید می‌کند

به گزارش گروه دانش و فناوری خبرگزاری آنا به نقل از وبگاه (سای تک دیلی)، دانشمندان به طور فزاینده‌ای به دنبال کشف بیشتر در مورد درهم تنیدگی کوانتومی هستند، که زمانی اتفاق می‌افتد که دو یا چند سیستم ایجاد می‌شوند یا به گونه‌ای برهم کنش می‌کنند که حالت‌های کوانتومی برخی را نمی‌توان مستقل از حالات کوانتومی سایرین توصیف کرد. سیستم‌ها حتی زمانی که با فاصله زیادی از هم جدا شده اند، همبسته هستند.

علاقه به مطالعه این نوع پدیده به دلیل پتانسیل قابل توجهی برای برنامه‌های کاربردی در رمزگذاری، ارتباطات و محاسبات کوانتومی است. مشکل این است که وقتی سیستم‌ها با محیط اطراف خود تعامل دارند، تقریباً بلافاصله از هم گسسته می‌شوند.

در آخرین مطالعه آزمایشگاه دستکاری منسجم اتم‌ها و نور (LMCAL) در موسسه فیزیک دانشگاه سائوپائولو (IF-USP) در برزیل، محققان موفق به توسعه منبع نوری شدند که دو پرتو نور درهم تنیده را تولید می‌کرد. مقاله‌ای در مورد این مطالعه اخیرا در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.

این منبع نور یک نوسان ساز پارامتری نوری یا OPO بود که معمولاً از یک بلور پاسخ نوری غیرخطی بین دو آینه تشکیل شده است که یک حفره نوری را تشکیل می‌دهند. هانس مارین فلورز، فیزیکدان، آخرین نویسنده مقاله، گفت: وقتی یک پرتو سبز روشن بر روی دستگاه می‌تابد، دینامیک آینه کریستال دو پرتو نور با همبستگی کوانتومی ایجاد می‌کند.

نوسان ساز پارامتری نوری (OPO) مورد استفاده در این مطالعه.

مشکل این است که نور ساطع شده توسط OPO‌های مبتنی بر کریستال نمی‌تواند با سایر سیستم‌های مورد علاقه در زمینه اطلاعات کوانتومی، مانند اتم‌های سرد، یون‌ها یا تراشه‌ها تعامل داشته باشد، زیرا طول موج آن با سیستم‌های مورد بحث یکسان نیست. گروه ما در کار قبلی نشان داد که از خود اتم‌ها می‌توان به‌جای کریستال به عنوان یک محیط استفاده کرد. فلورز گفت، بنابراین، ما اولین OPO را بر اساس اتم‌های روبیدیم تولید کردیم که در آن دو پرتو به شدت با همبستگی کوانتومی مرتبط بودند و منبعی را به دست آوردیم که می‌تواند با سیستم‌های دیگر با پتانسیل استفاده به عنوان حافظه کوانتومی، مانند اتم‌های سرد، تعامل داشته باشد.

با این حال، این برای نشان دادن درهم تنیدگی پرتو‌ها کافی نبود. علاوه بر شدت، فاز‌های پرتوها، که با همگام سازی امواج نوری مرتبط هستند، برای نمایش همبستگی‌های کوانتومی نیز نیاز دارند. او گفت: این دقیقاً همان چیزی است که ما در مطالعه جدید گزارش شده در Physical Review Letters به ​​آن دست یافتیم. ما همان آزمایش را تکرار کردیم، اما مراحل تشخیص جدیدی را اضافه کردیم که به ما امکان داد همبستگی‌های کوانتومی را در دامنه‌ها و فاز‌های میدان‌های تولید شده اندازه‌گیری کنیم.

در نتیجه، ما توانستیم نشان دهیم که آن‌ها درگیر هستند. علاوه بر این، تکنیک تشخیص ما را قادر ساخت تا مشاهده کنیم که ساختار درهم تنیدگی غنی‌تر از چیزی است که معمولاً مشخص می‌شود. به جای درهم تنیدگی دو باند طیف مجاور، آنچه ما در واقع تولید کرده بودیم، سیستمی بود که شامل چهار باند طیفی درهم تنیده بود.

در این حالت، دامنه‌ها و فاز‌های امواج در هم پیچیده بودند. این در بسیاری از پروتکل‌ها برای پردازش و انتقال اطلاعات کدگذاری شده کوانتومی اساسی است. علاوه بر این کاربرد‌های ممکن، این نوع منبع نور می‌تواند در مترولوژی نیز مورد استفاده قرار گیرد.

فلورز گفت: همبستگی‌های کوانتومی شدت منجر به کاهش قابل توجه نوسانات شدت می‌شود که می‌تواند حساسیت سنسور‌های نوری را افزایش دهد. مهمانی را تصور کنید که در آن همه صحبت می‌کنند و شما نمی‌توانید صدای کسی را در آن سوی اتاق بشنوید. اگر سر و صدا به اندازه کافی کاهش یابد، اگر همه از صحبت کردن دست بردارند، می‌توانید از فاصله‌ای دور آنچه را که کسی می‌گوید بشنوید.

وی افزود: افزایش حساسیت مغناطیس‌سنج‌های اتمی مورد استفاده برای اندازه‌گیری امواج آلفای ساطع شده از مغز انسان، یکی از کاربرد‌های بالقوه است.

این مقاله همچنین به مزیت اضافی OPO‌های روبیدیوم نسبت به OPO‌های کریستالی اشاره می‌کند. OPO‌های کریستالی باید آینه‌هایی داشته باشند که نور را برای مدت طولانی‌تری در داخل حفره نگه می‌دارند، به طوری که این برهمکنش پرتو‌های همبسته کوانتومی تولید می‌کند، در حالی که استفاده از یک محیط اتمی که در آن دو پرتو با کارایی بیشتری نسبت به کریستال‌ها تولید می‌شوند، از نیاز به آینه جلوگیری می‌کند. فلورز گفت که نور را برای مدت طولانی زندانی کنم.

قبل از اینکه گروه او این مطالعه را انجام دهد، گروه‌های دیگر سعی کرده بودند OPO با اتم بسازند، اما نتوانستند همبستگی کوانتومی را در پرتو‌های نور تولید شده نشان دهند. آزمایش جدید نشان داد که هیچ محدودیت ذاتی در سیستم برای جلوگیری از این اتفاق وجود ندارد. ما کشف کردیم که دمای اتم‌ها کلید مشاهده همبستگی‌های کوانتومی است. ظاهراً سایر مطالعات از دمای بالاتر استفاده کردند که مانع از مشاهده همبستگی توسط محققان شد.