دستاورد بزرگ دانشمندان: ایجاد درهم‌تنیدگی کوانتومی با استفاده از نور خورشید

دانشمندان دانشگاه اتاوا در کانادا موفق شده‌اند نشان دهند که ایجاد درهم‌تنیدگی کوانتومی بین فوتون‌ها نیازی به منابع نور همدوس (Coherent Light) مانند لیزر ندارد و می‌توان آن را با استفاده از منابعی مانند نور مستقیم خورشید نیز تولید کرد. این پژوهش راه‌های تازه‌ای را در فناوری‌های کوانتومی ارائه می‌کند که در آنها می‌توان از منابع نور موجود استفاده کرد و میزان مصرف انرژی را به میزان چشمگیری کاهش داد.

هرچند فناوری‌های کوانتومی هنوز در مراحل اولیه توسعه خود هستند، اما نگرانی‌ها درباره مصرف بالای انرژی آنها روبه‌افزایش است. پژوهش‌های کوانتومی معمولاً به دو عنصر اصلی، یعنی دماهای فوق‌سرد و لیزرهای بسیار همدوس نیاز دارند. هر دوی این عوامل به شدت پرمصرف هستند و در صورت مقیاس‌پذیری در شکل فعلی، چالش‌های جدی ایجاد می‌کنند.

اکنون پژوهشگران درحال بررسی روش‌هایی هستند که در آنها مواد حتی در دمای اتاق نیز خواص کوانتومی نشان دهند.

پیش از این، دانشمندان بر این باور بودند که درهم‌تنیدگی فوتون‌ها تنها با نورهایی مانند لیزر امکان‌پذیر است؛ زیرا موج‌های نوری در این منابع همگام باقی می‌مانند و الگوهای قابل پیش‌بینی ایجاد می‌کنند که برای درهم‌تنیدگی ضروری تصور می‌شدند. اما «رابرت بوید»، استاد فیزیک و متخصص نورشناسی غیرخطی کوانتومی و تیم او در تحقیقات قبلی خود نشان داده بودند این فرض نادرست است. آنها با استفاده از نور LED که غیرهمدوس است، فوتون‌های درهم‌تنیده‌ای از نظر قطبش تولید کردند که ثابت می‌کنند نور حتی اگر در یک ویژگی بی‌نظم باشد، همچنان می‌تواند فوتون‌های درهم‌تنیده تولید کند.

ایجاد درهم‌تنیدگی کوانتومی با نور طبیعی خورشید

در تحقیق جدید، این تیم پژوهشی تصمیم گرفت یک گام فراتر برود و از نور خورشید استفاده کند، چرا که نور خورشید واگرا است و طیف وسیعی از رنگ‌ها را شامل می‌شود. «چِنگ لی»، دانشجوی تحصیلات تکمیلی دانشگاه اتاوا، توضیح داده که ایجاد درهم‌تنیدگی با نور خورشید می‌تواند عنصر حیاتی مورد نیاز برای مقیاس‌پذیری رایانه‌های کوانتومی را بدون افزایش بار مصرف انرژی فراهم کند.

پژوهشگران معمولاً با استفاده از فرایندی که به اختصار SPDC نام دارد، یک پرتو پمپ را با یک کریستال غیرخطی درگیر می‌کنند تا فوتون‌ها به جفت‌هایی تقسیم شوند که بعداً جفت‌های درهم‌تنیده کوانتومی را تشکیل می‌دهند. اما این آزمایش متفاوت بوده، زیرا نور خورشید از نظر زمانی و مکانی غیرهمدوس است.

لی دراین‌باره توضیح داده که چیدمان آزمایش به‌گونه‌ای طراحی شده تا تفاوت‌های ناشی از رنگ‌های مختلف و جهت‌های انتشار، تأثیری بر قطبش فوتون‌ها نداشته باشد. براساس پیش‌بینی‌های نظری، اگر درهم‌تنیدگی تنها در قطبش وجود داشته باشد، فقط به نظم پرتو پمپ در جهت نوسان آن بستگی دارد و به جهت یا رنگ آن وابسته نیست. این موضوع به دانشمندان اجازه داد تا درهم‌تنیدگی باکیفیتی از نور خورشید تولید کنند.

یکی از چالش‌های اصلی، متمرکز کردن نور خورشید بر روی یک کریستال غیرخطی کوچک به اندازه میلی‌متر بوده است. برای حل این مشکل، پژوهشگران از یک متمرکزکننده خورشیدی استفاده کردند که توسط «هانیه فتاحی»، پژوهشگر مؤسسه ماکس پلانک در آلمان توسعه یافته است. این دستگاه نور خورشید را با استفاده از لنز فرنسل (Fresnel Lens) به داخل یک کابل فیبر نوری به باریکی موی انسان هدایت می‌کند.

آزمایش‌ها نشان داده که درهم‌تنیدگی ایجادشده از نور خورشید ۹۴ درصد به یک حالت کاملاً درهم‌تنیده شباهت دارد. تیم پژوهشی اکنون درحال کار روی ساخت یک محصول قابل استفاده در محیط‌های عملیاتی با بهبود روشنایی و کیفیت درهم‌تنیدگی است. لی اشاره کرده که این فناوری روزی می‌تواند به ماهواره‌ها اجازه دهد با استفاده از نور خورشیدِ موجود در فضا، کلیدهای رمزنگاری امن ایجاد کنند و نیاز به لیزرهای سخت‌افزاری را کاهش دهند.

نتایج این پژوهش در مجله Optica منتشر شده است.