نظریه‌پردازان نشان دادند دو اتم در کاواک اپتیکی می‌توانند یک فوتون مشترک را جذب نمایند.

چند فوتون لازم است تا یک اتم برانگیخته شود؟ پژوهش‌گران به صورت نظری نشان دادند  که می‌توان دو (یا حتی چند) اتم را به طور هم‌زمان با جذب تنها یک فوتون میان آن‌ها برانگیخته کرد. این فرایند باید برگشت‌پذیر باشد، به طوری که اتم‌ها بتوانند با ساطع کردن یک فوتون در مجموع، به حالت با انرژی پایین‌تر بازگردند. پژوهش‌گران می‌گویند این پدیده غیرذاتی می‌تواند در پردازش‌ اطلاعات کوانتومی کاربرد داشته باشد.

به اشتراک گذاشتن انرژی نور. بر اساس این نظریه، دو یا چند اتم در یک کاواک اپتیکی می‌توانند یک اتم واحد را جذب نمایند. این کاواک به امواج نوری ساکن با یک فرکانس واحد (قرمز درخشان) اجازه می‌دهد که به یک فوتون محدود شود.

برانگیخته کردن یک اتم واحد با جذب دو فوتون فرایندی کاملاً شناخته‌شده است. فوتون‌ها به همراه هم انرژی کافی را برای بالا بردن اتم از یک حالت کم‌انرژی‌تر به حالتی با انرژی بالاتر، حتی بدون نیاز به گذشتن از پله‌های میانی این نردبان انرژی حمل می‌کنند. امروزه استفاده از این جذب دو-فوتونی در طیف‌نگاری و میکروسکوپی رایج است، و در عین حال ساطع کردن دو فوتون توسط یک اتم برانگیخته‌شده روشی استاندارد است. این روش که فوتون‌های درهم‌تنیده‌ نامیده می‌شود دارای حالات کوانتومی به‌هم‌وابسته هستند.

اما Salvatore Savasta از دانشگاه مسینا در ایتالیا و هم‌کارانش از این فرایند مکمل، یعنی جذب و انتشار یک تک‌فوتون توسط دو اتم متعجب شدند. آن‌ها سیستم ساده‌ای را در نظر گرفتند که در آن دو اتم مشابه درون یک کاواک اپتیکی قرار داده می‌شود که می‌تواند از امواج نوری ساکن پشتیبانی کند. ابعاد کاواک طول موج و فرکانس ویژه فوتون‌هایی را که می‌تواند در خود جای دهد، تعیین می‌کند.

طبق محاسبات Savasta و هم‌کارانش، اگر فرکانس تشدید کاواک دو برابر فرکانس فوتونی باشد که هر یک از این اتم‌ها را از حالت پایه به حالتی برانگیخته می‌برد، آن‌گاه این پدیده می‌تواند رخ دهد. یک فوتون می‌تواند به طور هم‌زمان توسط هر دو اتم با هم جذب شود، هر اتم نیمی از انرژی فوتون را گرفته و هر دو به حالت برانگیخته می‌روند. پژوهش‌گران می‌گویند همین رخداد برای سه اتم با فرکانس گذار یک سوم فرکانس تشدید کاواک نیز روی می‌دهد.

این گروه دریافتند که در عمل این سیستم به طور خلاصه فوتون دومی را از نوسانات تصادفی در خلأ  موجود در کاواک «قرض می‌گیرد». این فوتون «مجازی» در تمامی لحظات به وجود آمده و از بین می‌رود. دو اتم و تک‌فوتون واقعی در یک حالت کوانتومی سه-ذره‌ای در هم‌تنیده می‌شوند. آن‌گاه به کمک یک فوتون مجازی، این سیستم سه-ذره‌ای می‌تواند به حالت کوانتومی برسد که ترکیبی از دو موقعیت است: 1) دو اتم در حالت پایه‌ خود با یک فوتون در کاواک، 2) دو اتم در حالت برانگیخته‌شان بدون وجود هیچ فوتونی. سپس این سیستم می‌تواند از آمیخته‌ی این حالت‌ها خارج شده و در حالت خالص دومی ظاهر گردد.

حالت‌های کوانتومی که در آن بیش از دو ذره درهم‌تنیده شده‌اند، به عنوان عناصری برای رمزنویسی کوانتومی و محاسبات کوانتومی پیشنهاد شده است. Savasta می‌گوید از فرایندی شبیه به برانگیختگی دوتایی با یک فوتون می‌توان برای ایجاد چنین حالت‌هایی بهره برد. از فوتون برای حمل اطلاعات از دو بیت کوانتومی ساکن (دو اتم) به بیت‌های کوانتومی دیگر در یک دستگاه استفاده می‌شود.

Tatjana Wilk از بخش اپتیک کوانتومی موسسه ماکس پلانک در گارچنیگ آلمان می‌گوید: «تاکنون چیزی در این باره نشنیده بودم. پدیده غافل‌گیرکننده‌ای است». با این حال وی تردید دارد که این پدیده در پردازش‌ اطلاعات کوانتومی مفید واقع شود زیرا ممکن است حالت‌های برانگیخته در یک دستگاه آن‌قدر پایدار نمانند تا بتوان از اطلاعات رمزگذاری‌شده در حالت‌های اتمی استفاده کرد.

Savasta  و هم‌کارانش فکر می‌کنند بهترین شانس برای مشاهده پدیده‌ای که پیش‌بینی کردند، «اتم‌های مصنوعی» است که از مواد ابررسانا ساخته شده‌اند که در آن جریان الکتریکی دارای سطوح انرژی گسسته، درست شبیه سطوح انرژی اتم‌های واقعی است. او می‌گوید تاکنون نشان داده شده است که چنین سیستم‌هایی در حالت‌های خود آن‌قدر پایدار هستند که بتوان برای محاسبات کوانتومی از آنان بهره برد. Wilk می‌گوید: «اگر این آزمایش واقعاً انجام و مشاهده شوم، هیجان‌زده خواهم شد».

این پژوهش در Physical Review Letters چاپ شده است.

نویسنده: فیلیپ بال علمی‌نویس مستقل در لندن و نویسنده کتاب نامرئی: جذبه خطرناک عالم غیب (انتشارات دانشگاه شیکاگو، 2014)

منبع: Two Atoms Can Jointly Absorb One Photon

مرجع: One Photon Can Simultaneously Excite Two or More Atoms