خورشید به آزمایشگاه کوانتومی تبدیل شد؛ جهشی که لیزرها را به چالش کشید
دانشمندان موفق شدهاند برای نخستین بار نشان دهند که نور خورشید بهتنهایی میتواند یک پدیده کوانتومی پیشرفته را ایجاد کند؛ پدیدهای که پیشتر تصور میشد فقط با لیزرهای پایدار و دقیق امکانپذیر است. این دستاورد میتواند مسیر تازهای برای توسعه فناوریهای تصویربرداری کوانتومی و حتی کاربردهای فضایی باز کند.
نور خورشید بهعنوان منبع کوانتومی
به گزار برنا، در آزمایشهای اپتیک کوانتومی (Quantum Optics) معمولا از لیزرهای بسیار پایدار برای تولید زوجهای فوتونی همبسته استفاده میشود. این زوجها از طریق فرایندی به نام تبدیل پارامتری نزولی خودبهخودی (SPDC) در یک کریستال غیرخطی ایجاد میشوند؛ فرایندی که نیازمند نور منسجم و کنترلشده است.
به همین دلیل در گذشته تصور میشد نور خورشید به دلیل نوسانات شدید در شدت، زاویه و طیف برای چنین آزمایشهایی مناسب نیست، اما پژوهشهای جدید این فرض را به چالش کشیدهاند و نشان دادهاند که نور کاملا منسجم شرط ضروری برای SPDC نیست و حتی نور نیمهمنسجم نیز میتواند این فرایند را فعال کند.
آزمایش موفق با نور خورشید
در پژوهشی که توسط تیمی از دانشمندان به سرپرستی وهونگ ژانگ و لیشیانگ چن از Xiamen University انجام شد برای نخستین بار از نور خورشید بهعنوان منبع اصلی پمپ در فرایند SPDC استفاده شد. نتایج این تحقیق در مجله Advanced Photonics منتشر شده است.
در این آزمایش محققان یک سیستم پیچیده طراحی کردند که شامل موارد زیر بود:
• یک ردیاب خودکار خورشید مشابه پایههای تلسکوپهای نجومی
• انتقال نور خورشید از طریق فیبر نوری پلاستیکی به طول ۲۰ متر
• هدایت نور به یک آزمایشگاه تاریک
• استفاده از یک کریستال غیرخطی از نوع پتاسیم تیتانیل فسفات با قطبش تناوبی (PPKTP)
این ساختار باعث شد نور خورشید بتواند وارد فرایند تولید فوتونهای همبسته کوانتومی شود.
تصویربرداری کوانتومی شبحی
برای ارزیابی عملکرد سیستم پژوهشگران از روشی به نام تصویربرداری شبحی استفاده کردند. در این روش تصویر یک شی نه از طریق ثبت مستقیم نور بلکه با استفاده از همبستگی بین فوتونها بازسازی میشود.
نتایج بسیار چشمگیری نیز حاصل شد؛ سیستم مبتنی بر نور خورشید توانست فوتونهای همبسته با همبستگی مکانی قوی تولید کند، میزان وضوح (visibility) تصویر شبحی به ۹۰.۷ ٪ رسید و این مقدار تنها کمی کمتر از سیستم لیزری استاندارد با بازده ۹۵.۵ ٪ بود.
همچنین در ادامه پژوهشگران توانستند تصویر دوشکاف معروف (Double-slit) را بازسازی کنند و حتی یک تصویر پیچیدهتر به نام چهره شبحی را نیز تولید کنند. این نتایج نشان داد که نور خورشید میتواند اطلاعات فضایی بسیار دقیقی را از طریق همبستگیهای کوانتومی منتقل کند.
چرا نور خورشید جواب داد؟
به گفته پژوهشگران طیف گسترده نور خورشید نقش مهمی در این موفقیت دارد. این طیف به فرایند تطبیق شبهفازی (quasi-phase matching) در کریستال کمک میکند و امکان تولید تعداد زیادی فوتون همبسته را فراهم میسازد.
همچنین با جمعآوری داده در بازههای زمانی طولانیتر نسبت سیگنال به نویز بهبود یافت و سیستم توانست با وجود نوسانات طبیعی نور خورشیدعملکرد پایداری ارائه دهد.
گامی به سوی تصویربرداری کوانتومی بدون لیزر
این آزمایش نخستین نمایش موفق از استفاده مستقیم نور خورشید در SPDC همراه با تصویربرداری شبحی محسوب میشود. حذف لیزر و نیاز به منبع برق خارجی این روش را به یک سیستم کاملا غیرفعال (Passive Quantum Source) تبدیل میکند.
محققان معتقدند این فناوری میتواند در آینده برای مواردی مثل تصویربرداری کوانتومی در فضا، ماموریتهای فضایی دوردست، محیطهای صعبالوصول بدون دسترسی به انرژی پایدار و توسعه سیستمهای ارتباطی و اطلاعات کوانتومی بسیار مهم باشد.
دانشمندان تاکید میکنند که بهبودهای آینده در جمعآوری نور خورشید طراحی کریستالهای غیرخطی و همچنین استفاده از روشهای نوین پردازش مانند یادگیری ماشین و فشردهسازی دادهها میتواند سرعت و کیفیت تصویربرداری را بهطور چشمگیری افزایش دهد.
در صورت پیشرفت این فناوری استفاده از خورشید بهعنوان یک منبع طبیعی برای تولید حالتهای کوانتومی میتواند یک تغییر بنیادی در اپتیک کوانتومی و فناوریهای آینده ایجاد کند.
انتهای پیام/
