Quantumlight นักฟิสิกส์นานาชาติครั้งแรกในความก้าวหน้าครั้งยิ่งใหญ่
นับเป็นครั้งแรกที่ทีมนักฟิสิกส์นานาชาติประสบความสำเร็จในการจัดการกับอนุภาคแสงจำนวนน้อยหรือที่เรียกว่าโฟตอน ซึ่งมีความสัมพันธ์อันแน่นแฟ้นซึ่งกันและกัน
นั่นอาจฟังดูคลุมเครือเล็กน้อย แต่ฉันเป็นความก้าวหน้าขั้นพื้นฐานในอาณาจักรควอนตัมที่อาจนำไปสู่เทคโนโลยีที่เราไม่สามารถแม้แต่จะฝันถึง ลองนึกภาพเลเซอร์แต่มีความไวควอนตัมสำหรับการถ่ายภาพทางการแพทย์
“นี่เป็นการเปิดประตูสู่การจัดการสิ่งที่เราเรียกว่า ‘แสงควอนตัม'” นักฟิสิกส์ Sahand Mahmoodian จากมหาวิทยาลัยซิดนีย์กล่าว quantum light careers
“วิทยาศาสตร์พื้นฐานนี้เปิดทางสู่ความก้าวหน้าในเทคนิคการวัดที่ปรับปรุงด้วยควอนตัมและโทนิคควอนตัมคอมพิวเตอร์ “
แม้ว่านักฟิสิกส์จะเก่งมากในการควบคุมอะตอมที่พัวพันกับควอนตัมแต่ก็พิสูจน์แล้วว่าท้าทายกว่ามากในการบรรลุสิ่งเดียวกันด้วยแสง
ในการทดลองครั้งใหม่นี้ ทีมงานจากมหาวิทยาลัยซิดนีย์และมหาวิทยาลัยบาเซิลในสวิตเซอร์แลนด์ได้ยิงโฟตอนเดี่ยวและโฟตอนที่ถูกผูกไว้หนึ่งคู่ที่จุดควอนตัม(อะตอมที่สร้างขึ้นเอง) และสามารถวัดการหน่วงเวลาโดยตรงระหว่างโฟตอนได้ ของตนเองและของที่ถูกผูกไว้
Natasha Tomm นักฟิสิกส์จาก University of Basel กล่าว ว่า “อุปกรณ์ที่เราสร้างขึ้นทำให้เกิดการโต้ตอบที่รุนแรงระหว่างโฟตอนที่เราสามารถสังเกตเห็นความแตกต่างระหว่างโฟตอนที่หนึ่งมีปฏิสัมพันธ์กับโฟตอนเมื่อเทียบกับสอง”
“เราสังเกตเห็นว่าโฟตอนหนึ่งถูกเลื่อนออกไปโดยใช้เวลานานกว่าเมื่อเทียบกับโฟตอนสองตัว ด้วยปฏิสัมพันธ์ระหว่างโฟตอนกับโฟตอนที่แข็งแกร่งมากนี้ โฟตอนทั้งสองจะเข้าไปพัวพันกันในรูปแบบของสิ่งที่เรียกว่าสถานะสองโฟตอนที่ถูกผูกไว้”
พวกเขาตั้งค่าสถานะขอบเขตนี้โดยใช้การปล่อยแสงกระตุ้นซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์อธิบายเป็นครั้งแรกในปี 1916 และเป็นพื้นฐานของเลเซอร์สมัยใหม่ (ข้อเท็จจริงที่น่าสนุก: เลเซอร์ย่อมาจากการขยายแสงโดยการกระตุ้นการปล่อยรังสี)
ภายในเลเซอร์กระแสไฟฟ้าหรือแหล่งกำเนิดแสงถูกใช้เพื่อกระตุ้นอิเล็กตรอนภายในอะตอมของวัสดุเชิงแสง เช่น แก้วหรือคริสตัล
ความตื่นเต้นนี้ทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ขึ้นสู่วงโคจรในนิวเคลียสของอะตอม และเมื่อกลับลงมาสู่สภาวะปกติ ก็จะปล่อยพลังงานออกมาในรูปของโฟตอน สิ่งเหล่านี้คือการปล่อย “กระตุ้น” และกระบวนการนี้หมายความว่าโฟตอนที่ได้ทั้งหมดจะมีความยาวคลื่นเท่ากัน ซึ่งแตกต่างจากแสงสีขาวทั่วไป ซึ่งเป็นการผสมกันของความถี่ (สี) ที่แตกต่างกัน
จากนั้นกระจกจะถูกนำมาใช้เพื่อสะท้อนโฟตอนเก่าและใหม่กลับไปยังอะตอม กระตุ้นให้เกิดโฟตอนที่เหมือนกันมากขึ้น
โฟตอนเหล่านี้เคลื่อนที่พร้อมเพรียงกัน เดินทางด้วยความเร็วและทิศทางเดียวกัน และก่อตัวขึ้นจนในที่สุดพวกมันก็เอาชนะกระจกเงาและตัวกลางออปติก และปราศจากการระเบิดในลำแสงที่ซิงโครไนซ์อย่างสมบูรณ์แบบซึ่งสามารถโฟกัสได้อย่างคมชัดในระยะทางไกล
ทั้งหมดนี้เกิดขึ้นในหน่วยมิลลิวินาทีเมื่อคุณกดปุ่มบนตัวชี้เลเซอร์ (ขอบคุณ ไอน์สไตน์)
ปฏิสัมพันธ์ที่ยอดเยี่ยมระหว่างแสงและสสารนี้เป็นพื้นฐานสำหรับเทคโนโลยีที่น่าทึ่งทุกประเภท เช่น GPS คอมพิวเตอร์ ภาพทางการแพทย์ และเครือข่ายการสื่อสารทั่วโลก แม้แต่ LIGO หอดูดาวคลื่นความโน้มถ่วงแบบเลเซอร์อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ที่ตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วง เป็นครั้งแรกในปี 2558ก็ใช้เลเซอร์
แต่เทคโนโลยีทั้งหมดนี้ยังคงต้องใช้โฟตอนจำนวนมาก ซึ่งจำกัดความไวของโฟตอนเหล่านั้น
ความก้าวหน้าครั้งใหม่นี้ประสบความสำเร็จในการกระตุ้นการปล่อยและการตรวจจับโฟตอนเดี่ยว ตลอดจนโฟตอนกลุ่มเล็กๆ จากอะตอมเดี่ยว ทำให้โฟตอนเหล่านี้มีความสัมพันธ์กันอย่างมาก หรืออีกนัยหนึ่งคือ ‘แสงควอนตัม’ และนั่นเป็นก้าวที่ยิ่งใหญ่
“ด้วยการแสดงให้เห็นว่าเราสามารถระบุและจัดการกับสถานะที่จับกับโฟตอนได้ เราจึงได้ดำเนินขั้นตอนแรกที่สำคัญในการควบคุมแสงควอนตัมเพื่อการใช้งานจริง” มาห์มูเดียนกล่าว
เธออธิบายว่าขั้นตอนต่อไปคือการใช้วิธีสร้างสถานะของแสงที่สามารถสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัม ที่ดีขึ้น ได้
“การทดลองนี้สวยงาม ไม่เพียงเพราะตรวจสอบผลพื้นฐาน – กระตุ้นการปล่อยก๊าซ – ที่ขีดจำกัดสูงสุดเท่านั้น แต่ยังแสดงถึงขั้นตอนทางเทคโนโลยีครั้งใหญ่สู่การใช้งานขั้นสูง” ทอมม์กล่าวเสริม
“เราสามารถใช้หลักการเดียวกันนี้เพื่อพัฒนาอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นซึ่งให้สถานะขอบเขตของโฟตอนแก่เรา ซึ่งเป็นสิ่งที่มีแนวโน้มมากสำหรับการใช้งานในหลากหลายด้าน ตั้งแต่ชีววิทยาไปจนถึงการผลิตขั้นสูงและการประมวลผลข้อมูลควอนตัม”
บทสรุปภายใน
- นักวิจัยแสดงให้เห็นว่าพวกเขาสามารถจัดการและระบุโฟตอนที่มีปฏิสัมพันธ์จำนวนเล็กน้อยที่มีความสัมพันธ์สูงได้
- ทีมงานเสริมว่าเทคนิคใหม่นี้สามารถปูทางไปสู่ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีควอนตัมที่ใช้งานได้จริง ซึ่งรวมถึงโทนิคควอนตัมคอมพิวเตอร์และการวัดที่ปรับปรุงด้วยควอนตัม
- “ด้วยการแสดงให้เห็นว่าเราสามารถระบุและจัดการกับสถานะที่จับกับโฟตอนได้ เราจึงได้ก้าวแรกที่สำคัญไปสู่การควบคุมแสงควอนตัมเพื่อการใช้งานจริง” — ซาแฮนด์ มะห์มูเดียน
- ภาพ: ความประทับใจของศิลปินเกี่ยวกับโฟตอนที่จับตัวกันหลังจากการกระเจิงของอะตอมเทียม (เครดิต มหาวิทยาลัยบาเซิล)