پدیدههای کوانتومی معمولاً در کتابهای درسی جذاباند، اما وقتی پای فناوریهای واقعی مثل ساعت اتمی، ارتباطات امن یا حسگرهای پزشکی به میان میآید، همان «رفتارهای عجیب» میتوانند دردسرساز شوند. یکی از نمونههای کلاسیک، ابرپرتوزایی (Superradiance) است؛ حالتی که در آن گروهی از ذرات کوانتومی بهطور جمعی تابش میکنند و سیگنالی بسیار قویتر از حالت تکذرهای میسازند. سالها این اثر بیشتر به چشم یک عامل بیثباتکننده دیده میشد. اما یک پژوهش تازه نشان میدهد همین آشوب میتواند به منبعی کاربردی برای تولید سیگنالهای مایکروویوی پایدار تبدیل شود.
ابرپرتوزایی چیست و چرا تا امروز «مسئله» محسوب میشد؟
در سال ۱۹۵۴ فیزیکدان آمریکایی رابرت دیکه ایده ابرپرتوزایی را مطرح کرد: وقتی مجموعهای از اتمها یا سامانههای کوانتومی برانگیخته، بهنوعی رفتارشان را هماهنگ میکنند (اغلب از مسیر درهمتنیدگی) و به جای تابش مستقل، یک تابش جمعی و همفاز تولید میشود. نتیجه میتواند یک فوران کوتاه اما بسیار پرقدرت باشد؛ چیزی شبیه یک فلاش که انرژی خروجیاش از مجموع تابشهای پراکنده و منفرد بیشتر جلوه میکند.
این قدرت بالا دقیقاً همان دلیلی است که ابرپرتوزایی را برای برخی آزمایشها و ابزارهای فناوری کوانتومی دردسرساز کرده است. در سامانههایی که نیاز به پایداری، همدوسی (coherence) و کنترل دقیق دارند—مثل پردازندههای کوانتومی یا حافظههای کوانتومی—یک فوران جمعی میتواند تعادل سیستم را بههم بزند، نویز را افزایش دهد و به فروپاشی حالتهای حساس کوانتومی سرعت بدهد.
با این حال، ابرپرتوزایی فقط یک کنجکاوی آزمایشگاهی نمانده: پژوهشگران آن را در سامانههای مختلف، از نیمهرساناها گرفته تا طرحهای آزمایشی لیزرهای پرتو ایکس بررسی کردهاند و حتی در بحثهای نظری برای توضیح رفتارهای پرآشوب نزدیک سیاهچالهها یا پدیدههایی مانند انفجارهای رادیویی سریع (FRB) هم به آن اشاره شده است. سؤال اصلی این بود: آیا میشود این «همکاری مشکوک» ذرات را به جای تهدید، به فرصت تبدیل کرد؟
جزئیات آزمایش: از نقصهای اتمی تا حفره مایکروویوی
گروهی از پژوهشگران در اتریش و ژاپن روشی طراحی کردند که ابرپرتوزایی را به خدمت بگیرد و خروجیِ مفید تولید کند. طبق گزارش منتشرشده در Nature Physics، آنها سامانهای ساختند که در آن نقصهای اتمی بسیار کوچک درون یک حفره (کاویتی) مایکروویوی به دام افتاده بودند. این حفره را میتوان محیطی مهندسیشده دانست که میدان الکترومغناطیسی مایکروویو را تقویت و شکلدهی میکند.
در این ساختار، بخش کلیدی «اسپینهای الکترونی» بودند؛ کمیتهای کوانتومی که میتوان آنها را مانند آهنرباهای مینیاتوری تصور کرد و از آنها برای نمایش حالتهای مختلف کوانتومی بهره گرفت. تیم پژوهشی، تحول زمانی این سامانه را بهدقت اندازهگیری کرد و سپس دادههای تجربی را با شبیهسازیهای رایانهای گسترده تطبیق داد تا تصویر دقیقتری از فیزیک حاکم به دست آورد.
کشف غیرمنتظره: قطار پالسهای باریک و ماندگار
مشاهده اصلی زمانی رخ داد که پس از یک فوران ابرپرتوزایی، پژوهشگران با چیزی غیرمنتظره روبهرو شدند: یک «قطار» از پالسهای مایکروویوی باریک، منظم و نسبتاً طولانیعمر. در بسیاری از سناریوهای کلاسیک، انتظار میرود پس از یک تابش شدید جمعی، سامانه بهسرعت به سمت آشفتگی و افت همدوسی برود. اما اینجا داستان فرق داشت.
به گفته ونتسل کرستن (Wenzel Kersten) از دانشگاه فنی وین و نویسنده اصلی پژوهش، شبیهسازیها نشان دادند که تعاملهای ظاهراً «نامرتب» میان اسپینها، نهتنها مانع تابش نیست، بلکه عملاً سوختِ انتشار را فراهم میکند. او در توضیحی نزدیک به متن بیانیه پژوهش تأکید میکند سامانه میتواند از دل همان بینظمیای که معمولاً آن را نابود میکند، خود را سازماندهی کرده و یک سیگنال مایکروویوی بسیار همدوس بسازد.
از دید ارتباطات و الکترونیک کوانتومی، همدوسی بالا یعنی سیگنالی «پاکتر»، قابلپیشبینیتر و مناسبتر برای کاربردهایی که به فاز و فرکانس دقیق نیاز دارند. پرسش جذاب اینجاست: آیا میتوان این پالسهای پایدار را مثل یک منبع مایکروویوی جدید—شبیه یک نوسانساز کوانتومی—به کار گرفت؟
چرا این نتیجه نگاه به فناوری کوانتومی را تغییر میدهد؟
کائه نموتو (Kae Nemoto)، فیزیکدان و همکار پژوهش در مؤسسه علوم و فناوری اوکیناوا (OIST) ژاپن، در اظهارنظری که در بیانیه پژوهش بازتاب یافته، بر «تغییر زاویه دید» تأکید میکند: اگر تا دیروز تعاملهایی از این دست تهدیدی برای رفتار کوانتومی تلقی میشدند، امروز میتوان آنها را با طراحی درست به ابزار تبدیل کرد. این جابهجایی مفهومی برای حوزهای که دائماً با محدودیتهای پایداری و نویز میجنگد، اهمیت زیادی دارد.
کاربردهای بالقوه هم کم نیستند. یک سیگنال مایکروویوی قوی و خودپایدار میتواند در ساعتهای فوقدقیق، پیوندهای مخابراتی و سامانههای ناوبری نقش کلیدی بازی کند؛ بهویژه جایی که کیفیت فرکانسی و پایداری فاز تعیینکننده است. از سوی دیگر، این سیگنالها نسبت به تغییرات بسیار کوچک در میدانهای الکتریکی و مغناطیسی حساساند؛ ویژگیای که آن را برای حسگرهای کوانتومی جذاب میکند—از تصویربرداری و تشخیص در پزشکی گرفته تا آزمون مواد و کالیبراسیون ابزارهای دقیق.
البته مسیر تبدیل یک نتیجه آزمایشگاهی به محصول تجاری معمولاً کوتاه نیست. باید مشخص شود این روش در مقیاسهای مختلف، در محیطهای واقعی و در حضور نویزهای بیرونی چه رفتاری نشان میدهد و چطور میتوان آن را با معماریهای موجود در محاسبات کوانتومی و ارتباطات کوانتومی یکپارچه کرد. با این حال، پیام اصلی روشن است: گاهی بهترین راه کنترل آشوب، حذف آن نیست—بلکه مهندسیِ دقیقِ همان آشوب برای ساختن نظم است.