ماذا لو التقطت أسلاك أكبر عددًا أكبر من الفوتونات؟ كاشفات NIST الأعرض بمئة مرة تعيد تشكيل الكشف الكمومي

بولدر، كولورادو. في كل لحظة، يرسل الكون إلينا فيضًا من الفوتونات. هذه الرزم الكمومية الصغيرة من الضوء موجودة في كل مكان، ومعظمها يمر دون أن يترك أثرًا. بالنسبة للباحثين العاملين في الحوسبة الكمومية، وتصوير الأنسجة العميقة، والاتصالات في الفضاء السحيق، فإن التقاط فوتون واحد قد يعني الفرق بين خطوة كبيرة إلى الأمام وفرصة ضائعة.

تُعد كاشفات الفوتون الواحد من أكثر الأجهزة حساسية التي صُنعت على الإطلاق. وكاشفات الفوتون الواحد ذات الأسلاك النانوية فائقة التوصيل، والمعروفة اختصارًا بـ SNSPD، هي الرائدة حاليًا في هذا المجال. تعتمد هذه الكاشفات على ظاهرة التوصيل الفائق، وهي حالة يتدفق فيها التيار الكهربائي دون مقاومة. عندما يصطدم فوتون بالسلك فائق التوصيل فائق الرقة، يُحدث نقطة ساخنة صغيرة تزعج التيار وتطلق نبضة كهربائية. تلك النبضة هي البصمة الواضحة لجسيم ضوء واحد. واصل معهد NIST تحسين هذه الأجهزة باستمرار، واليوم أصبح قادرًا على التقاط ما يقرب من 98 بالمئة من الفوتونات الواردة.

لفترة طويلة، كان الحجم هو القيد الرئيسي. يستخدم كاشف SNSPD القياسي سلكًا بعرض حوالي 100 نانومتر، أي ما يعادل تقريبًا واحدًا على الألف من عرض شعرة الإنسان. كان المنطق السائد بسيطًا، مفادُه أن طاقة الفوتون يجب أن تكسر حالة التوصيل الفائق عبر عرض السلك بالكامل. فإذا كان السلك أعرض، فإن أثر الفوتون سينتشر بشكل رفيع للغاية ويختفي الإشارة. هذا الافتراض أبقى تصاميم الأسلاك محصورة في النطاق النانوي.

الأسلاك النانوية تعمل بالفعل، لكنها تنطوي على تعقيدات حقيقية. فهي تتطلب طرق تصنيع متخصصة للغاية. التيار المار عبرها ليس موحدًا تمامًا، لأن عيوبًا صغيرة تجعل الشحنات تتراكم بالقرب من الحواف، على غرار الدوامات في النهر. تأثيرات الحواف هذه تولد إشارات كاذبة تُعرف بالعدّات الداكنة. كما أنها تحد من تيار التشغيل، فتنتج الفوتونات منخفضة الطاقة نبضة خافتة فقط. هذه هي المعضلة التي أراد معهد NIST حلها.

تصميمهم الجديد يضيف قطبين كهربائيين على شكل قضبان فائقة التوصيل بجانب السلك المركزي. تحمل هذه القضبان التيار في الاتجاه نفسه، وتعمل حقولها المغناطيسية معًا مع حقل السلك الرئيسي. هذا الحقل المدمج يعمل على تنعيم توزيع التيار ويمنع التراكم غير المرغوب فيه عند الحواف. ومع تدفق أكثر انتظامًا، يمكن للسلك تحمل تيار أكبر بكثير. ونتيجة لذلك، يمكن اكتشاف النقطة الساخنة الناتجة عن الفوتون عبر مساحة أوسع بكثير. ويمكن للكاشف أن يعمل بالقرب من نقطة الانتقال إلى التوصيل الفائق، ما يعني أن حتى الفوتونات منخفضة الطاقة للغاية تترك إشارة واضحة وقابلة للقراءة.

النتائج تمثل قفزة كبيرة في الحجم. أظهر الفريق أسلاكًا يصل عرضها إلى عُشر المليمتر، أي أكثر من 100 مرة أعرض من كاشفات SNSPD التقليدية. ومن المفترض أن تكون الأسلاك الأكبر ممكنة أيضًا. والبنية الجديدة أسهل في التصنيع كذلك، ما قد يجعل الكاشفات الكبيرة أكثر عملية بكثير. وهذا الإصدار العريض غير حساس لاستقطاب الضوء، لذا يعمل بغض النظر عن اتجاه اهتزاز المجال الكهربائي للفوتون.

من أكثر النتائج المفاجئة انخفاض العدّات الداكنة. سجّل الفريق انخفاضًا في الإشارات الكاذبة بمقدار مليار مرة، وهو رقم قياسي جديد. تستذكر الباحثة ما بعد الدكتوراه في معهد NIST، كريستن بارزوخوفسكي، تلك اللحظة في المختبر. قالت: "كنا نستدعي بعض زملائنا في المجموعة إلى الغرفة ونقول لهم 'انظروا إلى هذا، هذا جنون!'"

التطبيقات المحتملة واسعة ومفتوحة. في التصوير الطبي الحيوي، تستخدم مطيافية الارتباط المنتشر الضوء عبر الأنسجة البشرية وتحلل الضوء المبعثر لقياس تدفق الدم. التقاط فوتونات بكفاءة أكبر يمكن أن يجعل هذه القراءات أسرع وأكثر موثوقية. في علم الفلك، الضوء الخافت منخفض الطاقة هو وسيلتنا لدراسة المجرات البعيدة والبحث عن المادة المظلمة. في الشبكات الكمومية والاتصالات في الفضاء السحيق، يمكن لكل فوتون أن يحمل معلومات، لذا فإن التقاط المزيد منها يعني إشارات أقوى وأوضح.

ما زالت هناك حاجة إلى مزيد من الاختبارات قبل أن تتمكن هذه الكاشفات فائقة الحجم من بلوغ كفاءة 98 بالمئة التي تحققها أفضل النسخ النانوية. العمل الجديد يثبت بالفعل نقطة جوهرية، وهي أن الأسلاك فائقة التوصيل لا يجب أن تكون دقيقة للوصول إلى الحدود الذاتية للمادة. لقد أظهر معهد NIST طريقًا إلى جيل جديد من كاشفات الفوتونات، يسهل بناؤها، وهادئ للغاية، وجاهز لالتقاط كل فوتون خافت تقريبًا يرسله الكون إلينا.