اتم‌هایی که تولید جفت‌های فوتون در هم تنیده می‌کنند.

اگر یک اتم که توسط پرتو لیزر برانگیخته شود و نور تابش فلورسانس از این اتم ، به دیود نوری بسیار حساس برخورد کند، هرگز دو فوتون به طور همزمان تشخیص داده نخواهند شد. از این نظر، نور فلورسنت از یک اتم منفرد با نور لیزری که با آن برانگیخته  شده بود، متفاوت است. در نور لیزر چند فوتون بطور همزمان میتوانند موجود باشند؛ اما اگر دو فوتون از لیزر به طور همزمان به یک اتم برخورد کنند، اتم تنها یک فوتون را جذب می کند و فوتون دوم را عبور می دهد. سپس اتم، فوتون لیزر جذب شده را در جهت تصادفی تابش می کند و تنها در این صورت آماده جذب فوتون لیزری دیگر می شود.

به عبارت دیگر، یک اتم می‌تواند تنها یک فوتون را در آن واحد پراکنده کند و فوتون‌ها در نور فلورسنت  یک اتم، مانند مروارید روی یک رشته به آشکارساز برخورد می‌کنند. این ویژگی در تحقیقات روی فناوری‌های کوانتومی مورد استفاده قرار می‌گیرد. به عنوان مثال، در ارتباطات کوانتومی، تک فوتون های ساطع شده توسط اتم طبیعی یا مصنوعی برای ارتباطات ضد حمله استفاده می شوند.

این آزمایش به این موضوع پرداخته است که هرگاه یک قسمت رنگی خاص به کمک یک فیلتر از نور تابشی اتم حذف شود، جریان تک فوتون به جفت فوتون تبدیل شد که به طور همزمان قابل شناسایی هستند. بنابراین، با حذف قسمتی از فوتون‌های منفرد، فوتون‌های باقی‌مانده ناگهان به‌صورت جفت ظاهر می‌شوند؛ که این یافته‌های تیم تحقیقاتی دانشگاه هومبولت است. این تأثیر را نمی توان با درک دنیای روزمره ما تطبیق داد. به عنوان مثال اگر همه خودروهای سبز را از یک خیابان حذف کنید، بقیه خودروها ناگهان بصورت جفت در موازی یکدیگر در هنگام رانندگی حرکت نمی کنند.

در قسمت a، تابش های فلورسانس اتم روبیدیم مشاهده میشوند. این اتم دارای دو سطح کوانتومی است که با فرکانس ω0 تشدید  میشود. در این آزمایش اتم روبیدیم در یک تشدیدگر قرار گرفته است که توسط یک میدان نوری با فرکانس ωL = ω0 + Δ پمپ میشود، Δ نشان دهنده  میزان اختلاف بین فرکانس پمپ و فرکانس تشدید اتم است. در اثر این پمپ 2 نوع جفت فوتون پراکنده میشوند که در قسمت b وc نشان داده شده اند.  در قسمت b، پراکندگی ریلی برای دو فوتونی همدوس منجر به ایجاد یک جفت فوتون جفت نشده میشود. در قسمت c، پراکندگی ناهمدوس دو فوتونی منجر به یک جفت فوتون درهم تنیده می شود که با  فرکانس و طیف لیزری که به عنوان پمپ استفاده شده بود ،تفاوت دارند.

طبق تئوری، فوتون های ایجاد شده در حالات همدوس و غیر همدوس با هم تداخل ویرانگر خواهند داد تا  تک فوتون های تابش شده از یک اتم ایجاد شوند. درصورتیکه یکی از این دو قسمت حذف شوند قادر خواهیم بود فوتون های جفت شده را اندازه گیری کنیم.

آزمایش تجربی گروه دانشگاه هولمبورت به صورت زیر است:

از قسمت a یک اتم منفرد عنصر روبیدیم  از یک تله مغناطیسی به یک تله دوقطبی نوری بارگذاری می شود. فوتون‌های تابشی فلورسانس اتم با یک عدسی که دارای خاصیت اپتیکی(NA = 0.55) است ،جمع‌آوری می‌شوند. این تابش با یک آینه دو رنگ از لیزر جدا می‌شوند و وارد یک فیبر تک مودی می‌شوند. نمودار زمانی سمت چپ، یک نمودار زمانی از نرخ شمارش فوتون هاست که نشان دهنده وجود یا عدم وجود یک اتم منفرد در داخل تله است. در ادامه این آزمایش (قسمت b)، تابش های فلورسانس جمع‌آوری‌شده با فیبر به یک فیلتر نوری هدایت می‌شود که از یک تشدید کننده حلقه ای فیبر استفاده کرده است. یک coupler که نسبت شدت های خروجی آن  متغیر است امکان کنترل نرخ انتقال (κext،)، به تشدید کننده را فراهم می کند. نرخ افت نور در حلقه تشدید کننده κ0 است. یک کنترل کننده قطبش فیبری ( که نمایش داده نشده است) قبل از رزوناتور قرار گرفته است تا عملیات فیلتر رزوناتور بصورت غیر قطبی انجام گیرد. نمودار  زمانی سمت راست: طیف انتقالی رزوناتور زمانی که  κext =  κ0است. طیف خروجی از رزوناتور دارای پهنای کامل در نیمه حداکثر پهنای خط(FWHM) 4.4 مگاهرتز است که محدوده طیفی آزادی با 89.1 مگاهرتز دارد. در قسمت آخر(قسمت c)، نور فلورسانس فیلتر شده به یک مجموعه متشکل از جفت شمارنده تک فوتون و یک تقسیم کننده پرتو 50/50 ارسال میشود تا فوتون های در هم تنیده گزارش شوند.

در قسمت نتیجه گیری، به بحث اولیه در مورد اینکه آیا یک اتم دو سطحی منفرد به طور همزمان دو فوتون را پراکنده می کند، باز می گردیم. همانطور که اغلب در مکانیک کوانتومی اتفاق می افتد، بسته به اینکه مسئله چگونه در نظر گرفته شود، پاسخ هم بله و هم خیر است. میدان نوری تابشی فلورسانس از اتم ها هرگز حاوی دو فوتون در هم تنیده نیستند. در اینجا، تصویری نشان داده شد که حاصل از پراکنده کردن پیوسته دو فوتون فرودی بر روی اتم، به دو روش مختلف  همدوس و غیر همدوس است. این دو حالت بصورت تقریبا کاملی با یکدیگر تداخل ویرانگر میدهند به هم دلیل فوتون های دیده شده جفت نیستند ولی با حذف یکی از این تابش ها،  جفت فوتون ها قابل اندازه گیری هستند. یک تصویر جایگزین این است که بگوییم اتم فقط فوتون‌ها را یکی یکی پراکنده می‌کند و جریان تابشی فوتون‌های توسط فیلتر فیبری به فوتون‌های دوتایی تبدیل می‌شود. در این تصویر، تشدید کننده به عنوان یک محیط ذخیره برای نور پراکنده شده، عمل می کند و تداخل کوانتومی بین نور فلورسانس ورودی و میدان ذخیره شده در رزوناتور منجر به دوتایی شدن فوتون های نور می شود . فراتر از این ملاحظات اساسی، اثر نشان‌داده ‌شده، خود را به عنوان یک منبع جفت شده فوتون که دارای طیف باریکی هستند نشان داده است. این منابع با تابش‌کننده‌های کوانتومی سازگاری بالایی دارند. در نتیجه، ما تصور می کنیم که منابع جفت شده فوتون که بر اثر این روش تولید شده اند به عنوان یک منبع کلیدی در فناوری های کوانتومی نوری و پردازش اطلاعات کوانتومی ظاهر خواهند شد.

منبع

On the simultaneous scattering of two photons by a single two-level atom” by Luke Masters, Xin-Xin Hu, Martin Cordier, Gabriele Maron, Lucas Pache, Arno Rauschenbeutel, Max Schemmer and Jürgen Volz, 27 July 2023, Nature Photonics.
DOI: 10.1038/s41566-023-01260-7