ניטור בזמן אמת של סחיטה רב‑מצבית

מדוע צפייה באור קוונטי חשובה

בדרך כלל חושבים על אור כעל גלי, חלק ורציף, אך ברמה הקוונטית הוא נעשה גרגרי ורועש. פיזיקאים למדו "לסחוט" את הרעש הזה, להוריד אותו בכיוון שימושי שיכול לשפר את דיוק החיישנים, להקשות על יירוט התקשורת ולהעצים יכולות של מחשבים קוונטיים. העבודה במאמר זה מראה כיצד לצפות ולשלוט בעיצובים סחוטים רבים של אור בו‑זמנית, בזמן אמת, בתוך קרן לייזר בודדת — יכולת שיכולה לפתוח טכנולוגיות קוונטיות מתקדמות בהרבה.

הרבה תבניות שמסתתרות בקרן אחת

קרן לייזר יכולה לשאת בסתר עשרות תבניות מרחביות נבדלות של אור, שנקראות מצבים (modes), כשהן ערומות זו על גבי זו. כל מצב יכול להכיל מצב קוונטי סחוט משלו, כך שקרן יחידה יכולה להתנהג כאוטובוס נתונים קוונטי בקיבולת גבוהה. עד כה, עם זאת, מדענים יכלו לבדוק מצבים אלו רק אחד־אחד, באמצעות שיטה המשווה את הקרן לקרן ייחוס. שיטה זו איטית, רגישה לאובדן ולרעש, ומוגבלת במהותה לבחינה של מצב יחיד בכל פעם — רחוק מלהיות אידיאלית לרשתות קוונטיות או חישובים בקנה מידה גדול התלויים בהרבה מצבים הפועלים יחד.

להשתמש באור כדי לקרוא אור

המחברים מחליפים את הגלאי המסורתי במגבר אור מיוחד. מגבר זה, המבוסס על גביש לא־ליניארי, מחזק או מדכא תנודות מסוימות של האור הקוונטי הנכנס תוך התעלמות יחסית מהאובדן הרגיל שמתרחש אחרי ההגברה. מאחר שהמגבר עצמו תומך בריבוי מצבים מרחביים, הוא יכול לפעול על כולם בבת אחת. על‑ידי עיצוב מדויק של קרן המשא החזקה שמניעה את המגבר, הצוות מתאים את המצבים הפנימיים שלו לאלו של האור הסחוט הנכנס, כך שכל תבנית בקלט מוּפַתֶּחַת באופן נקי לתבנית מקבילה ביציאה.

מיון ומדידה של מצבים רבים בו‑זמנית

לאחר ההגברה, התבניות המרחביות השונות עדיין נעות יחד בתוך אותה קרן, ולכן האתגר הבא הוא להפריד ביניהן מבלי להרוס את התכונות הקוונטיות שלהן. החוקרים משתמשים במכשיר תכנותי המניע כל תבנית אל נקודה מוארת שונה על המצלמה, מה שהופך את ערימת המצבים החופפים למערך של פיקסלים נפרדים. אף על פי שתהליך המיון הזה איבדני מאוד — פחות מפוטון אחד מתוך 300 מגיע באמת אל הגלאי — שלב ההגברה הקודם מחזק את המדידה וגורם לה להיות עמידה. כך הם עוקבים בו‑זמנית אחרי תשעה מצבים מרחביים שונים ועוקבים כיצד רעשם הקוונטי נע בין ערכי סחיטה לערכי אנטי‑סחיטה כאשר הם משנים בהדרגה את פאזה של קרן המשא.

בניית רשתות קוונטיות בתוך קרן

קבלת גישה בזמן אמת להרבה מצבים אינדיבידואליים מאפשרת לצוות לא רק למדוד אותם בנפרד. על‑ידי לקיחת צירופים מתאימים של תבניות אלה, הם יוצרים בלוקים קטנים של רשתות קוונטיות הידועות כמצבי אשכול, שבהם מספר "קשרים" משתפים קורלציות קוונטיות חזקות. המחברים מדגימים ומאירים מאפיינים של אשכולות בני שני קשרים ומעריכים את האיכות של רשתות גדולות יותר בת שלושה, ארבעה וחמישה קשרים, כולן מקודדות בצירופים שונים של אותם מצבים מרחביים בסיסיים. באופן מרשים, על אף האובדן הגדול בשלבי הגילוי הכוללים, הם מציינים סחיטה חזקה מאוד — כמעט שמונה דציבלים — למצב היסוד עם טוהר גבוה, וקובעים שיא לאור סחוט בפולסים.

מה משמעות הדבר למכשירים קוונטיים עתידיים

ללא־מומחה, המסר המרכזי הוא שהמחברים הפכו משאב קוונטי עדין וקשה למדידה לדבר שניתן לצפות בו ולהנחותו בזמן אמת על פני ערוצים רבים בבת אחת. באמצעות מגבר אופטי שמתאים טבעית למקור האור הסחוט, הם מתגברים על העונשים הרגילים של אובדן, רוחב פס מוגבל ותפעול חד‑מצבי. אותה אסטרטגיה ניתנת להרחבה גם למצבי צבע (תדר) כמו גם למרחביים, וניתנת להגדלה לעשרות או מאות מצבים. זה עושה את הטכניקה למועמד חזק להנעת חיישנים קוונטיים עתידיים, קישורים תקשורתיים מאובטחים מאוד ומחשבים קוונטיים במשתנים רציפים בקנה מידה גדול התלויים ברקמות מורכבות של אור מסולסל.

ציטוט: Kalash, M., Sudharsanam, A., M. Passos, M.H. et al. Real-time monitoring of multimode squeezing. Nat Commun 17, 3904 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72357-0

מילות מפתח: אור מסוכך רב‑מצבי, הגברה פרמטרית אופטית, דימות קוונטי, שזירה במשתנים רציפים, מצבי אשכול