وقتی دو اتم در محفظه کوچکی که با آینه‌هایی محصور شده، قرار داده می شوند، به طور هم‌زمان می‌توانند یک تک‌فوتون را جذب کنند. بنابراین گروهی بین‌المللی از پژوهش‌گران می‌گویند یافته‌های آن‌ها نشان می‌دهد که فرایند معکوس، که دو اتم از خود یک تک‌فوتون ساطع کنند، نیز امکان‌پذیر است. به اعتقاد این گروه، از این فرایند می‌توان برای انتقال اطلاعات در مدار یا رایانه کوانتومی بهره برد.

تصویر دو اتم را در کاواک اپتیکی نشان می‌دهد. به اشتراک گذاشتن برانگیختگی: دو اتم در یک کاواک اپتیکی می‌توانند یک فوتون را جذب کنند

مدت‌هاست که فیزیک‌پیشگان بر این باورند که دو یک تک‌اتم می‌تواند دو فوتون را به طور هم‌زمان جذب یا ساطع کند. این فرایند دو-فوتون، یک-اتم به طور گسترده در طیف‌نگاری و تولید فوتون‌های درهم‌تنیده مورد نیاز در ادوات کوانتومی استفاده می‌شود. Salvatore Savasta از دانشگاه مسینای ایتالیا به همراه هم‌کارانش در موسسه RIKEN ژاپن از این‌که دو اتم بتوانند یک فوتون را جذب کنند، شگفت‌زده شدند. در این زمان Savasta از دانشجوی دکترای خود، Luigi Garziano خواست این فرایند را شبیه‌سازی کند. هنگامی که شبیه‌سازی Garziano امکان وقوع این پدیده را نشان داد، Savasta آن‌قدر هیجان‌زده شد که به physicsworld.com گفت «که مشتی به دیوار کوبیده است».

یکی برای دو تا؟

شبیه‌سازی آن‌ها نشان داد که این پدیده زمانی رخ می‌دهد که فرکانس تشدید کاواک اپتیکی، که داخل آن دو اتم است، دو برابر فرکانس گذار هر یک از اتم‌ها باشد. برای مثال، در کاواکی که فرکانس تشدیدش سه برابر فرکانس گذار اتم باشد، سه اتم می‌توانند به طور هم‌زمان یک تک‌فوتون را جذب یا ساطع کنند. ابعاد کاواک اپتیکی براساس این فرکانس تشدید تعیین می‌شود که باید یک موج ایستاده باشد. طبق محاسبات پژوهش‌گران، دو اتم می‌توانند به طور پیاپی بین حالت‌های پایه و برانگیخته نوسان کنند. در حقیقت، اتم‌ها در ابتدا به صورت مشترک فوتونی را جذب می‌کنند، و به حالت برانگیخته‌شان می‌روند، سپس به طور مشترک تک‌فوتونی را ساطع کرده، و به حالت پایه‌شان برمی‌گردند. این چرخه تکرار می‌شود. به علاوه، آن‌ها دریافتند که این پدیده جذب و نشر مشترک می‌تواند میان بیش از دو اتم رخ دهد.

کلید کوانتومی

Savasta می‌گوید می‌توان از سیستم دو-اتم، یک فوتون برای سوئیچ کردن به منظور انتقال اطلاعات در مدار کوانتومی استفاده کرد. یک اتم می‌تواند به شکل یک کیوبیت عمل کند، اطلاعات را به صورت برهم‌نهشی از حالت‌های پایه و برانگیخته کدگذاری کند. برای انتقال اطلاعات به خارج از کاواک اپتیکی، لازم است کیوبیت اطلاعات را به فوتونی داخل کاواک منتقل کند. از اتم دومی برای کنترل آن‌که کیوبیت اطلاعات را منتقل کرده است، یا نه استفاده می‌شود. اگر فرکانس گذار اتم دوم نصف فرکانس تشدید کاواک تنظیم شود، دو اتم می‌توانند مشترکاً فوتونی را که حاوی اطلاعات کدگذاری شده به منظور انتقال است، جذب و ساطع کنند. برای حصول اطمینان از آن‌که اتم‌ها دوباره فوتون را جذب نکنند، می‌توان فرکانس تشدید اتم را با اعمال میدان مغناطیسی خارجی تغییر داد.

گروه Savasta شروع به جستجوی هم‌‌کارانی تجربی‌کار کرده‌اند تا پیش‌بینی‌های نظری‌شان را در آزمایشگاه بیازمایند. با وجود آن‌که آزمایش را می‌توان با استفاده از اتم‌های واقعی اجرا کرد، Savasta تصمیم دارد از اتم‌های ساختگی استفاده کند: ذرات ابررسانایی که دارای سطوح انرژی کوانتیزه و گسسته هستند و مانند اتم‌ها رفتار می‌کنند اما آزمایش‌گران خیلی ساده‌تر می‌توانند انرژی‌های گذارشان را تغییر دهند. به علاوه، کنترل اتم‌های واقعی نیازمند فن‌آوری‌های گران‌قیمت است، در حال یکه اتم‌های ساختگی را می‌توان با هزینه کم روی تراشه‌های حالت جامد ساخت. او می‌گوید: «اتم‌های واقعی تنها برای آزمایش‌های اثبات اصل کلی مناسب هستند».

Savasta از هم‌کاران خود انتظار دارد بتوانند این آزمایش را با موفقیت در طول حدود یک سال انجام دهند. او می‌گوید: «ما فکر کردیم با استفاده از کیوبیت‌های ابررسانا، این آزمایش خاصتاً با فن‌آوری‌های موجود به خوبی قابل انجام است».

Tatjana Wilk از بخش اپتیکی موسسه ماکس پلانک در گارشینگ، که در پژوهش کنونی حضور نداشته است، با کانون فیزیک انجمن فیزیک آمریکا در این باره گفت‌وگو کرده و اخطار داده است که حالت‌های برانگیخته اتم‌ها آن‌قدر بادوام نیستند که برای استفاده در ادوات کوانتومی مناسب باشند.

این پژوهش در Physical Review Letters منتشر شده است.

نویسنده: Sophia Chen علمی‌نویس شهر توسان، ایالت آریزونا

منبع: Single photon simultaneously excites two atoms

مرجع: One Photon Can Simultaneously Excite Two or More Atoms