في خطوة ستسعد بالتأكيد علماء البيئة وستربك أي شخص يتذكر دروس الفيزياء، أظهر الباحثون أن ضوء الشمس العادي يمكن أن يولد التشابك الكمي - وهي ظاهرة كانت تُعتبر سابقًا بحاجة إلى جهد متماسك ومركّز من ليزر مضبوط جيدًا. لأنه لماذا تستخدم ليزرًا دقيقًا يستهلك الطاقة بينما يمكنك فقط... فتح الستائر؟

النتائج، التي نُشرت في مجلة Optica، تُظهر أن ضوء الشمس يمكن أن ينتج تشابكًا كميًا مماثلًا لتقنيات الليزر، بشرط أن تأخذ في الاعتبار اختلافات النطاق الترددي. العمل هو تعاون بين مجموعة روبرت بويد في جامعة أوتاوا وفريق هاني فتاحي في معهد ماكس بلانك لعلوم الضوء (MPL) في ألمانيا. لأنه على ما يبدو، التعاون الدولي مطلوب أيضًا لتسخير قوة الشمس.

"التشابك الكمي أمر حاسم لتطبيقات مثل الاتصال الآمن، والاستشعار فائق الدقة، والحوسبة عالية الأداء،" قال تشنغ لي، خريج حديث من جامعة أوتاوا والمؤلف الأول للورقة. "عملنا يُظهر أن مصادر الضوء الطبيعية الوفيرة يمكن استخدامها للتشابك الكمي، مما يفتح إمكانية تقنيات كمومية أكثر كفاءة في استخدام الطاقة وأكثر سهولة في الوصول."

بعبارة أخرى، قد يعمل جهاز الكمبيوتر الكمي المستقبلي بنفس الشيء الذي يسبب لك حروق الشمس. وأشار لي أيضًا إلى أن "هذه التكنولوجيا يمكن أن تمكن يومًا ما الأقمار الصناعية من إنشاء مفاتيح تشفير آمنة باستخدام ضوء الشمس الوفير بالفعل في الفضاء، مما يقلل الحاجة إلى الليزر على متنها والكثير من الأجهزة الداعمة." لأنه لماذا تحمل ليزرًا إلى الفضاء بينما الشمس موجودة هناك، تقوم بعملها؟

تحدى الفريق الافتراض القديم بأن التشابك الكمي يتطلب ضوءًا متماسكًا - النوع الذي تكون فيه الموجات متزامنة ويمكن التنبؤ بها، مثل الليزر. أظهر عمل سابق لفريق بويد أن مصباح LED، وهو مصدر ضوء غير متماسك، يمكن أن ينتج فوتونات متشابكة في الاستقطاب. الآن قاموا بترقية إلى ضوء الشمس، وهو أكثر فوضوية، ينتشر في جميع الاتجاهات ويحمل قوس قزح كامل من الألوان.

للسيطرة على هذه الفوضى، استخدم الباحثون التحويل التنازلي التلقائي (SPDC)، وهي عملية يدخل فيها شعاع مضخة إلى بلورة غير خطية ويقسم الفوتونات إلى أزواج متشابكة. بدلاً من مضخة الليزر، استخدموا ضوء الشمس المستقطب بقوة، والذي ظل غير متماسك للغاية في المكان والزمان ولكنه تذبذب في اتجاه ثابت. "صممنا إعدادنا التجريبي بحيث لا تؤثر الاختلافات الناتجة عن الألوان المختلفة واتجاهات الانتشار على استقطاب الفوتونات،" أوضح لي. "كما تتنبأ نظريتنا، إذا كان التشابك يعيش فقط في الاستقطاب، فيجب أن يعتمد فقط على انتظام المضخة في اتجاه تذبذبها وليس على اتجاهها أو لونها."

ولكن كانت هناك مشكلة: البلورة غير الخطية يبلغ عرضها حوالي ملليمتر واحد فقط، لذا احتاجوا إلى تركيز ضوء الشمس. بنى فريق فتاحي في MPL مركزًا شمسيًا زجاجيًا بالكامل يستخدم عدسة فريسنل بحجم نافذة منزلية لتوجيه ضوء الشمس إلى ألياف بصرية بعرض شعرة الإنسان تقريبًا، ثم توجيهه إلى البلورة الصغيرة. لأنه لا شيء يقول "بصريات الكم" مثل إعداد يشبه عدسة مكبرة عملاقة.

أكدت التجارب الخارجية في MPL النظرية: أظهر التصوير المقطعي للحالة الكمومية أن التشابك الناتج عن ضوء الشمس كان مشابهًا بنسبة 94٪ تقريبًا لحالة متشابكة تمامًا، وانتهكت الفوتونات متباينة بيل، مما يثبت أنها كانت متشابكة حقًا وليست مجرد سوء فهم كلاسيكي.

يعمل الفريق الآن على زيادة السطوع وتحسين جودة التشابك، مع آمال في نقل النظام خارج المختبر. كما يقترحون أن النهج يمكن أن يعمل مع تقنيات بصرية غير خطية أخرى مثل خلط الموجات الأربع، مما قد يفتح أبوابًا جديدة في الفوتونيات الكمومية.

بالطبع، كان لدى المجتمع العلمي شكوكه. "منذ بداية هذا المشروع، قوبلت فكرتنا بالشك والرفض المتكرر،" قال لي. "بعض العلماء المشهورين عالميًا رفضوا الفكرة."