مولکول‌هایی از نور !

[∆ MeRzaD ∆]

هر چند فوتون‌ها تقریبا هیچ اندرکنشی با یکدیگر ندارند، اما فیزیک‌پیشگان به تازگی با ایجاد تعامل بین آنها به‌نحوی دو فوتون را درهم‌تنیده کرده‌اند که شبیه یک مولکول رفتار می‌کنند.

اولین مولکول‌های ساخته شده از دو فوتونِ نور، توسط فیزیکدانانی در آمریکا ایجاد شدند. آزمایش آنها شامل پرتاب جفت فوتون‌هایی در یک گاز فراسرد است، که در آن نوعی برهم‌کنش جاذبه‌ای باعث به هم چسبیدن فوتون‌ها شده و آنها را از نظر مکانیک کوانتومی درهم‌تنیده می‌کند. این موفقیت، به کامپیوترهای معمولی و همچنین به کامپیوترهای کوانتومی اجازه می‌دهد تا با استفاده از فوتون‌ها، اطلاعات را رمزنگاری و پردازش کنند.
فوتون‌ها معمولا بدون هیچ برهم‌کنشی از کنار یکدیگر عبور می‌کنند، از این رو مقید کردن آنها به هم، کار چندان ساده‌ای نیست، البته، هر فوتون متناظر با یک میدان الکترومغناطیسی است که می‌تواند محیط پیرامون‌اش را تحت تاثیر بگذارد. این تغییرات می‌تواند فوتون‌های اطراف را نیز متاثر کرده و برهم‌کنش موثری بین آنها ایجاد کند. اگرچه این اتفاق نادری است، اما اگر محیط به دقت انتخاب شود، چنین برهم‌کنش‌هایی می‌تواند بسیار چشم‌گیر باشد.

در این مطالعه جدید، تیمی به رهبری میکائیل لوکین (Mikhael Lukin) در دانشگاه هاروارد و ولادان ولتیک (Vladan Vuletic) در موسسه فن‌آوری ماساچوست، با فرستادن فوتون‌ها درون گاز سرد شده‌ای از اتم‌های روبیدیوم، برهم‌کنش‌های قوی‌ای را بین فوتون‌ها ایجاد کردند. این گاز تنها چند کلوین دما داشت. در این آزمایش از لیزر آبی رنگی با طول موجی دقیقا برابر با 479 نانومتر استفاده شد، که اتم‌های روبیدیوم را به گونه‌ای دچار تغییر می‌کند که یک فوتون می‌تواند برخی از انرژی‌اش را با چندین اتم به اشتراک بگذارد و یک حالت گزینشی ریدبرگ را به وجود آورد. این حالت مانند یک اتم ریدبرگ است – که در آن یک الکترون به حالتی با انرژی بسیار زیاد برانگیخته شده است- اما در عوض این الکترون در بین چندین اتم به اشتراک گذاشته می‌شود.

این حالتِ ریدبرگ، مانند یک فوتونِ کُند با جرم غیر صفر درون گاز منتشر می‌شود و زمانی که حالت گزینش شده به انتهای مقابلِ ابرِگازی می‌رسد، فوتون به انرژی اولیه‌اش بازمی‌گردد. البته زمانی که یک حالت ریدبرگ به وجود می‌آید، به علت فرایندی به نام انسداد ریدبرگ، وقوع حالت‌های ریدبرگ بیشتر را در آن نزدیکی غیرممکن می‌سازد. بنابراین، زمانی که دو فوتون در فاصله کوتاهی به درون گازی پرتاب می‌شوند، تنها  اولین فوتون است که یک حالت ریدبرگ را به وجود می‌آورد. چون ناحیه حالت ریدبرگ ضریب شکست متفاوتی نسبت به سایر قسمت‌های گاز دارد، از این رو باعث می‌شود که فوتون دوم زمانی که در حال عبور از گاز است در نزدیکی فوتون اول باقی بماند.

با هم خارج شدن

این تیم برای کشف تمایل فوتون‌ها به ماندن با یکدیگر، بازه زمانی بین آشکارسازی اولین و دومین فوتون را اندازه‌گیری کردند. آنها مشاهده کردند که به جای اینکه فوتون دوم از فوتون حالتِ ریدبرگِ آهسته‌تر سبقت بگیرد، در عوض هر دو فوتون تمایل دارند با هم از گاز خارج شوند. لوکین در این باره می‌گوید « این یک برهم‌کنش فوتونی است که به واسطه برهم‌کنش اتمی ایجاد شده است، که باعث می‌شود این دو فوتون مانند یک مولکول رفتار کنند ». او همچنین می‌افزاید « از این رو زمانی که این فوتون‌ها محیط را ترک می‌کنند، تمایل بسیار زیادی دارند تا با یکدیگر باشند».

این تیم همچنین نشان داد که فوتون‌ها در هر جفت، بر حسب پلاریزاسیون‌شان درهم‌تنیده شده‌اند. محققان این تحقیق را با پرتاب جفت‌هایی از فوتون‌ها با پلاریزاسیون خاصی به داخل گاز بررسی کردند. زمانی که فوتون‌ها از محیط عبور می‌کنند، پلاریزاسیون‌ آنها تغییر می‌کند. این تیم همچنین با اندازه‌گیری همبستگی بین پلاریزاسیون‌های فوتون، نشان داد که فوتون‌ها زمانی که مولکولی را ایجاد می‌کنند در هم‌تنیده می‌شوند.

مولکول‌های فوتونی

ایجاد تعامل بین فوتون‌ها علاوه بر اینکه یکی از علاقه‌مندی‌های فیزیکدانان است، در عمل نیز کاربردهایی دارد و می‌تواند منجر به کامپیوترهای سریع‌تر و از نظر انرژی به صرفه‌تر شود که از پالس‌های نوری به جای پالس‌های الکتریکی برای پردازش اطلاعات استفاده می‌کنند. امروزه، چنین سیستم‌هایی غیر عملی هستند چون پالس‌های نوری در ابتدا باید به پالس‌های الکتریکی تبدیل شوند و سپس دوباره به پالس نوری بازگردانده شوند، که به شدت هزینه‌بر است. اگر پالس‌های نوری برای تعامل با یکدیگر ایجاد شوند، مدارهای منطقی تماما اُپتیکی می‌توانند اطلاعات را پردازش کنند.

مولکول‌های فوتونی همچنین می‌توانند به توسعه کامپیوترهای کوانتومی کمک کنند، که از اصل درهم‌تنیدگی استفاده می‌کنند تا همبستگی‌های بسیار قوی‌تری بین دو ذره نسبت به آنچه فیزیک کلاسیک ممکن می‌سازد ایجاد کنند. در حالی‌که فوتون‌ها در ارسال بیت‌های کوانتومی در مسافت‌های طولانی بسیار خوب عمل می‌کنند، این حقیقت که آنها به طور معمول با هم تعاملی ندارند برای ایجاد مدار‌های منطقی تماما اُپتیکی مشکل‌ساز است.