محققان در حال توسعه یک لیزر کوانتومی جدید و نظامی هستند که قادر است مه را قطع کرده و در فواصل طولانی عمل کند.
آژانس پروژههای تحقیقاتی پیشرفته دفاعی ایالات متحده (دارپا) به دانشمندان یک میلیون دلار کمک مالی اعطا کرده است تا نمونه اولیه ‘لیزر کوانتومی فوتونیک دایمر’ را بسازند. این لیزر از درهمتنیدگی کوانتومی برای ‘چسباندن’ ذرات نور به یکدیگر و تولید یک پرتو لیزر بسیار متمرکز استفاده میکند.
لیزرها نقش حیاتی در عملیات نظامی ایفا میکنند و در زمینههای مختلفی همچون ارتباطات ماهوارهای و فناوری هدفگیری و همچنین سیستمهای نقشهبرداری و ردیابی مانند لیدار (تشخیص نور و محدوده) استفاده میشوند.
لیزرهای معمولی با تحریک الکترونهای اتمها برای نوسان هماهنگ عمل میکنند. هنگامی که این الکترونها از حالت پرانرژی به حالت کمانرژی حرکت میکنند، نوری به نام ‘نور منسجم’ آزاد میشود. این نور با طول موج و فاز یکنواخت، به پرتو لیزر متمرکز تبدیل میشود.
دانشمندان در بیانیهای اعلام کردند که با استفاده از فوتونهای درهمتنیده، لیزر کوانتومی فوتونیک دایمر میتواند دقت و قدرت را در فواصل دورتر و شرایط نامساعد حفظ کند. این بدان معنی است که لیزرهای کوانتومی میتوانند عملکرد بهتری را برای کاربردهای نظامی مانند نظارت و ارتباطات ایمن در محیطهای سخت ارائه دهند.
جونگ تسونگ شن، سرپرست پروژه و دانشیار مهندسی برق و سیستم در دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس، اظهار داشت: ‘فوتونها هنگام سفر، اطلاعات را رمزگذاری میکنند، اما سفر در جو برای آنها بسیار مضر است.’ هنگامی که دو فوتون به هم متصل میشوند، از اثرات جوی آسیب میبینند، اما میتوانند از یکدیگر محافظت کنند تا برخی از اطلاعات فاز حفظ شود.
لیزر دایمر فوتونیک دو رنگ با پیوند دادن جفت فوتونها، که کوچکترین واحدهای تابش الکترومغناطیسی هستند، از طریق فرآیندی به نام درهمتنیدگی کوانتومی عمل میکند.
درهمتنیدگی کوانتومی پدیدهای عجیب و پیچیده در مکانیک کوانتومی است که زمانی رخ میدهد که دو یا چند ذره بهگونهای به هم متصل میشوند که وضعیت یکی از ذرات به طور فوری بر وضعیت ذره دیگر تأثیر میگذارد.
به گفته محققان، هنگامی که دو فوتون از طریق درهمتنیدگی کوانتومی به هم متصل میشوند، چیزی به نام دایمرهای فوتونی را ایجاد میکنند. دستکاری این جفت فوتونها آسانتر است زیرا آنها به عنوان یک موجودیت واحد عمل میکنند و هر تغییری که روی یکی از فوتونها اعمال شود، مستقیماً بر دیگری تأثیر میگذارد.
این اتصال ذرات نور باعث افزایش انرژی و پایداری لیزر میشود و باعث میشود لیزر در فواصل طولانی و در شرایط نامطلوب مانند دماهای شدید و مه عملکرد بهتری داشته باشد.
کارهای قبلی شن و تیمش، که در آذر 1399 منتشر شد، بررسی کرد که چگونه میتوان از فناوری لیزر کوانتومی فوتونیک دایمر برای بهبود تصویربرداری عمیق مغز استفاده کرد. در آن مطالعه، آنها از دایمرهای فوتونی برای ترسیم ساختارهای عصبی پیچیده بهرهبرداری کردند.
به گفته محققان، این فناوری همچنین میتواند در محاسبات کوانتومی و ارتباطات راه دور نقش مهمی ایفا کند و احتمالاً به راههای سریعتر و ایمنتر برای انتقال دادهها منجر شود.
شن گفت: ‘ما در تلاش هستیم تا از ویژگی درهمتنیدگی برای انجام کارهای نوآورانه بهرهبرداری کنیم. این درهمتنیدگی میتواند کارهای زیادی را انجام دهد که ما فقط میتوانیم رویای آنها را داشته باشیم – این فقط نوک کوه یخ است.’
سوالات متداول
1. لیزر کوانتومی چیست و چه کاربردهایی دارد؟
لیزر کوانتومی نوعی لیزر است که از اصول مکانیک کوانتومی بهره میبرد و در کاربردهایی نظیر ارتباطات ایمن و نظارت در شرایط سخت استفاده میشود.
2. درهمتنیدگی کوانتومی چیست؟
درهمتنیدگی کوانتومی پدیدهای است که در آن دو یا چند ذره بهگونهای به هم متصل میشوند که وضعیت یکی از آنها به طور فوری بر وضعیت دیگری تأثیر میگذارد.
3. چگونه لیزر کوانتومی میتواند در شرایط نامساعد عمل کند؟
لیزر کوانتومی با استفاده از فوتونهای درهمتنیده میتواند دقت و قدرت را در فواصل دورتر و در شرایط نامساعد مانند مه حفظ کند.
4. چه محققانی در این پروژه همکاری دارند؟
جونگ تسونگ شن و تیمش از دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس بر روی این پروژه کار میکنند.
5. چه فناوریهایی از لیزر کوانتومی بهره میبرند؟
این فناوری میتواند در محاسبات کوانتومی، ارتباطات راه دور و بهبود تصویربرداری عمیق مغز استفاده شود.