עד אמצע שנות ה-20ה' המאה, האור היה די רגיל. כן, זה היה גם חלקיק וגם גל, אבל זה לא עשה משהו מאוד מוזר. ואז מדענים, שלא מועסקים בחוסר עבודה לאחר תום מלחמת העולם השנייה, החלו לשים לב יותר לתכונות האור. זה הונע, בין השאר, על ידי זמינותם של זרקורים עודפים, שניתן היה להפוך אותם למערכים זולים של גלאי אור למדידת תכונותיהם של כוכבים.
זה התחיל את הבהלה לזהב הפוטונים, עם מדענים שזיהו כל מיני התנהגויות פוטנציאליות מעניינות. אבל בעצם התבוננות בהם תדרוש מקורות אור מיוחדים למדי, שלא היו קיימים. כעת, הראו מדענים השמש שלנו ניתן להפוך לאחד ממקורות האור הללו.
עדר של פוטונים זהים
כאשר לא ניתן להבחין בין שני פוטונים, ניתן לגרום להם לשחק כמה טריקים בלתי צפויים. התרשים שלהלן מציג דוגמה: שני פוטונים זהים פוגעים במראה רפלקטיבית חלקית בו-זמנית. אנחנו לא יכולים לחזות לאן הם ילכו, אבל לאן שזה יהיה, הם הולכים ביחד. אם העולם היה קלאסי, היינו מצפים שכל אחד מהם יתנהג באופן עצמאי, ובחצי מהזמן הוא יבחר כיוונים שונים. אבל אנחנו בעולם קוונטי, אז זה לא קורה.
כריס לי
סוג זה של הפרעות יכול לעבוד רק עם פוטונים זהים, שם נכנסים מקורות האור המיוחדים. ניתן להבחין בפוטונים לפי צבעם (אורך גל), עד כמה צבע זה טהור (או יותר טכנית, קוהרנטיות), כיוון השדה החשמלי המתנודד שלהם (המכונה קיטוב), צורתם המרחבית והגעתם זְמַן. ואכן, יצירת פוטונים זהים הייתה, היסטורית, כל כך קשה עד שמערכות מעבדה שלמות וסטודנטים לתארים מתקדמים הוקרבו ליצירתם.
אבל אלה היו מכשירים בודדים שעל פי בנייתם לא יכלו לעשות דבר מלבד ליצור זוגות של פוטונים זהים. האם שני מכשירים עצמאיים יכולים לפלוט פוטונים בודדים זהים זה לזה?
התפתחות הנקודות הקוונטיות אפשרה זאת. נקודות קוונטיות הן מה שכתוב על התווית על הקופסה: נקודות זעירות של חומר המייצרות התנהגות קוונטית על ידי הגבלה של אלקטרון בודד. הכליאה מגבילה את האלקטרונים לאנרגיות ספציפיות; כאשר האלקטרון נפטר מאנרגיה, הוא עושה זאת על ידי פליטת פוטון.
מדעני חומר מצאו כיצד ליצור את הנקודות הללו כך שכולן יהיו כמעט זהות, כלומר צבע הפוטון הנפלט זהה. אנחנו גם יודעים למקם אותם בסביבה שמעודדת אותם לאותה טוהר, צורה מרחבית וקיטוב. ניסויים גילו ששתי נקודות קוונטיות יכולות, אכן, לפלוט פוטונים זהים.
עם זאת, זה עדיין לא ממש חותך את זה. למעשה יצרנו שני עותקים של אותו מכשיר ושלטנו בקפידה בסביבה כדי להבטיח שהם ייצרו באופן טבעי פוטונים זהים. אבל מה לגבי משהו שמעבר לשליטתנו, כמו השמש?
חיתוך פוטונים זהים מתוך עדר מעורב
זה בדיוק מה שצוות חוקרים בדק. הם השתמשו במכשיר מעקב כדי ללכוד ברציפות אור מהשמש. האור הזה סונן כדי להבטיח שרק פוטונים עם הצבע, הטוהר, הצורה המרחבית והקיטוב הנכונים נשמרו. אלה נשלחו לאחר מכן למראה משקפת חלקית יחד עם אור מנקודה קוונטית.
אבל התזמון הוא גם קריטי, שכן הניסוי דורש שרק פוטון בודד מהשמש יפגע במראה המשקפת חלקית באותו זמן שהפוטון מהנקודה הקוונטית מגיע. השמש פולטת פוטונים בזמנים אקראיים, אבל יש כל כך הרבה פוטונים שתמיד יש הרבה יותר מאחד זמין, בעוד שנקודה קוונטית פולטת פוטון רק כל 10 נס בערך.
כדי לפנות את מכשול התזמון, החוקרים זרקו פוטונים מהשמש עד שקצב הפוטונים הממוצע היה בערך זהה לזה של הנקודה הקוונטית. אז הגלאים הופעלו רק במרווחי זמן ספציפיים, ולמעשה בחרו רק לזהות פוטונים שמגיעים יחד עם הפוטון מהנקודה הקוונטית.
בתנאים אלה, התוצאה הייתה בדיוק כפי שנחזה עבור פוטונים שלא ניתן להבחין בהם. ובכן, כמעט. הנקודה הקוונטית אינה מושלמת, ולכן לפעמים היא פולטת שני פוטונים במקום אחד. ולזרם הפוטונים מהשמש יהיו מדי פעם שני פוטונים, כלומר החוקרים לא רואים הפרעה מושלמת.
אבל זה די קרוב. למעשה, התוצאות שלהם היו כל כך טובות שהם הלכו צעד קדימה, והראו שהם יכולים לסבך פוטונים מהשמש עם פוטונים מנקודה קוונטית.
ברמה אחת, זה די רגיל: מכניקת הקוונטים חוזה שפוטונים זהים יתנהגו בצורה מסוימת. ניסוי זה לוקח למעשה את אינספור הפוטונים מהשמש ובוחר רק את אלו שזהים לפוטונים מהנקודה הקוונטית. לא היינו מצפים לשום תוצאה אחרת.
ברמה אחרת, זה עדיין די מדהים. לחשוב שעכשיו יש לנו את הטכנולוגיה לקחת כל נורה ישנה ולהפוך אותה למשאב קוונטי זה די מדהים. החוקרים טוענים גם שניתן להשתמש בתכונות הקוונטיות של פוטונים בודדים מהשמש כדי לזרוק אור על תהליכי שמש, כמו התנהגות שדה מגנטי. זה עשוי להיות מעניין יותר מכל יישום טכנולוגי.
מכתבי סקירה פיזית, 2019, DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.080401 (לגבי DOIs)
