از دانشگاه ویتس
پژوهشگران مدرسهٔ فیزیک دانشگاه ویتس، همراه با همکارانی از دانشگاه خودمختار بارسلونا، نشان دادهاند که چگونه میتوان نور کوانتومی را در فضا و زمان مهندسی کرد تا حالتهای کوانتومی با ابعاد بالا و چندبعدی ایجاد شود. کار آنها روشن میسازد که فوتونهای ساختاریافته — نوری که ویژگیهای فضایی، زمانی یا طیفی آن بهصورت عمدی شکل داده شدهاند — راههای جدیدی برای ارتباطات کوانتومی با ظرفیت بالا و فناوریهای پیشرفتهٔ کوانتومی فراهم میآورند.
این مطالعه بهعنوان مقالهٔ مروری در Nature Photonics منتشر شده است و پیشرفتهای سریع در تکنیکهایی را بررسی میکند که قادر به تولید، دستکاری و شناسایی نور کوانتومی ساختاریافته هستند. این تکنیکها شامل فتوئونیکهای یکپارچه بر روی تراشه، اپتیک غیرخطی و تبدیل نور چندسطحی میشوند که امروزه بهعنوان جعبهابزار مدرن و قدرتافزایندهای شناخته میشوند. با هم، این دستاوردها حالتهای کوانتومی ساختاریافته را به کاربردهای واقعی در زمینهٔ تصویربرداری، حسگری و شبکههای کوانتومی نزدیکتر میسازند.
پیشرفتهای مهندسی نور کوانتومی
به گفتهٔ پروفسور اندرو فوربس، نویسندهٔ همکار از دانشگاه ویتس، این حوزه در دو دههٔ اخیر بهطور چشمگیری تغییر کرده است. «سفارشیسازی حالتهای کوانتومی، که در آن نور کوانتومی برای هدفی خاص مهندسی میشود، اخیراً سرعت گرفته و اکنون بهطور کامل پتانسیل خود را نشان میدهد. بیست سال پیش، ابزارهای مورد نیاز برای این کار تقریباً وجود نداشت. امروزه ما منابع نور کوانتومی ساختاریافته بر روی تراشه داریم که فشرده و کارآمد بوده و قادر به تولید و کنترل حالتهای کوانتومی هستند.»
یکی از مزایای اصلی ساختاردهی به فوتونها، امکان دسترسی به حروفالفبای کدگذاری با ابعاد بالا است که بهازای هر فوتون اطلاعات بیشتری را منتقل میکند و مقاومت بالاتری در برابر نویز دارد. این باعث میشود که نور کوانتومی ساختاریافته بهعنوان بستری نویدبخش برای ارتباطات ایمن کوانتومی محسوب شود.
چالشها و مسیرهای آینده
با این حال، نویسندگان اشاره میکنند که برخی از مسیرهای واقعی هنوز برای فوتونهای دارای ساختار فضایی نامناسب هستند و این موضوع انتقال در فواصل طولانی را در مقایسه با درجات آزادی سنتیتر مانند قطبیت محدود میکند.
«اگرچه پیشرفتهای شگفتانگیزی داشتهایم، هنوز مسائلی چالشبرانگیز باقی ماندهاند»، میگوید فوربس. «برد فاصله با نور ساختاریافته، چه در حوزهٔ کلاسیک و چه در حوزهٔ کوانتومی، هنوز بسیار کم است… اما این نیز یک فرصت است که جستجوی درجات آزادی انتزاعی تر برای بهرهبرداری را تحریک میکند.»
یکی از رویکردهای نوظهور، تزریق ویژگیهای توپولوژیکی به حالتهای کوانتومی است که از پایداری ذاتی در برابر اختلالات بهره میبرد. «بهتازگی نشان دادهایم که توابع موج کوانتومی بهطور طبیعی قابلیت توپولوژیک بودن دارند و این وعدهٔ حفظ اطلاعات کوانتومی حتی در شرایطی که درهمتنیدگی ضعیف است، میدهد»، میگوید فوربس.
کاربردها و چشمانداز حوزه
مقالهٔ مروری همچنین پیشرفتهای شتابدار در درهمتنیدگی چندبعدی، ساختاردهی زمانی فوقالعاده سریع، طرحهای تشخیص کوانتومی غیرخطی و منابع بر روی تراشهای که میتوانند نور کوانتومی را در ابعاد بالاتری نسبت به گذشته تولید یا پردازش کنند، مستند میسازد. از جمله کاربردهای برجسته میتوان به تصویربرداری کوانتومی با وضوح بالا، متروژی دقیق با استفاده از فوتونهای ساختاریافته و شبکههای کوانتومی اشاره کرد که قادر به انتقال اطلاعات بیشتر از طریق چندین کانال پیوسته هستند.
این تحقیق نشان میدهد که این حوزه به یک نقطهٔ عطف رسیده است. همانطور که نویسندگان نتیجه میگیرند، آیندهٔ اپتیک کوانتومی با نور کوانتومی ساختاریافته «بهطور واضحی بسیار روشن به نظر میرسد»— اما برای افزایش ابعاد، افزون تعداد فوتونها و مهندسی حالتهایی که در محیطهای نوری واقعی بقا یابند، نیاز به کارهای بیشتری است.
اطلاعات بیشتر: اندرو فوربس و همکاران، پیشرفت در نور ساختاریافته کوانتومی، Nature Photonics (2025). DOI: 10.1038/s41566-025-01795-x
اطلاعات مجله: Nature Photonics
ارائهشده توسط دانشگاه ویتس
نقلقول: شکلدادن نور کوانتومی امکانات جدیدی برای فناوریهای آینده فراهم میکند (2025، 5 دسامبر) دریافتشده در 6 دسامبر 2025 از https://phys.org/news/2025-12-quantum-possibilities-future-technologies.html
این سند تحت حقنشر محفوظ است. بهجز موارد استفاده منصفانه برای مطالعهٔ خصوصی یا تحقیق، هیچ بخشی بدون کسب اجازهٔ کتبی قابل بازتولید نیست. محتوا تنها برای مقاصد اطلاعاتی ارائه شده است.