حالت‌های چلانیده

در سال‌های گذشته مشاهدة حالت‌های چلانیدة نور در چند آزمایشگاه، هیجان زیادی در میان جامعة اپتیک‌دان‌ها بر انگیخت. اگرچه دورنمای "چلانیدن نور" ممکن است تصاویر گوناگونی را در ارتباط با "الاستیسیتة" میدان الکترومغناطیسی، در ذهن ایجاد کند، ولی آنچه واقعاً مشاهده شده حالت‌های کوانتومی است که دانه‌ای بودن ذاتی وابسته به ماهیت کوانتومی نور را مستقیماً آشکار می‌کند. ماهیت غیر کلاسیک حالت‌های چلانیدة میدان الکترومغناطیسی علاوه بر آنکه به خودی خود جالب توجه است، کاربردهای متعددی نیز در علم اندازه‌گیری و در ارتباطات اپتیکی دارد که به حساسیت‌هایی بیش از حد کوانتومی استاندارد مربوط می‌شود؛ اندازه‌گیری دامنه یا فاز یک موج نوری همیشه با عدم قطعیتی همراه است ولو این عدم قطعیت صرفاً عدم قطعیت کوانتومی باشد. حتی حالت خلاً نیز ـ که دامنة متوسطش صفر است ـ از خود یک حرکت نقطة صفر کوانتومی حول مقدار متوسط بروز می‌دهد. نظریه‌های جدید اپتیک کوانتومی، عدم قطعیت در اندازه‌گیری‌های باریکه‌های بسیار همدوس لیزری را به تداخل لیزر با افت و خیزهای کوانتومی خلأ نسبت می‌دهد. حالا دیگر آزمایش‌هایی که در چهار آزمایشگاه انجام شده روشن کرده است که افت و خیزهای خلأ موجد حد و مانعی ذاتی در دقت اندازه‌گیری‌های نوری نیستند؛ بلکه می‌توان این افت و خیزها را به صورتی "چلاند" که اندازة آن‌هایی که با لیزر هم¬فاز نیستند بیشتر تراز خلأ باشد. چنین نور چلانیده‌‌ای، مآلاً، می‌تواند در اشکارسازی موج گرانشی، ذخیره‌کردن داده‌های اپتیکی، ارتباطات و طیف‌نمایی مفید باشد.
چلانیدن افت و خیزهای خلأ از طریق برهم کنش‌های اپتیکی غیرخطی میسر می‌شود. در یک محیط غیرخطی، امواج نوری که بسامدهایشان به فاصلة مساوی بالا و پایین یک بسامد پمپی باشد، طوری با هم جفت می‌شوند که تغییرات دامنه و فاز یکی باعث تغییراتی در فاز با دامنة موج دیگر می‌شود. در نتیجه، حتی میان افت و خیزهای خلأ نیز همبستگی‌هایی به وجود می‌آید. اگر امواجی که تحت تأثیر چنین برهم کنش‌های غیر خطی بوده‌اند همراه با یک باریکة همدوس با فاز صحیح، بر روی یک آشکارساز فرود بیایند، افت و خیزهای همسته، با یکدیگر تداخل تخریبی می‌کنند و شدتی که به این ترتیب آشکار می‌شود پایدارتر از شدتی است که باریکة همدوس به تنهایی دارد. در یک چنین حالت چلانیده‌ای، می‌گوییم که نوفه از حد کوانتومی استاندارد کمتر است. اگر فاز باریکة همدوس به اندازة 90 تغییر کند، افت و خیزهای تقویت شده‌ای که اصل عدم قطعیت ایجاب می‌کند، ظاهر می‌شوند. پدیدة چلانیدن نور، اولین بار در اواخر سال 1985 در یک آزمایش در آزمایشگاه‌های بل نشان داده شد. در این آزمایش، نور پس از برهم‌کنش با یک باریکه اتم سدیم در یک کاواک اپتیکی، روی آشکارساز با یک باریکة لیزری مخلوط شد و کاهشی معادل 7% در نوفة کوانتومی مشاهده شد. وقتی این نور، که به طور غیرخطی تولید شده بود قطع شد، نوفه افزایش یافت. در آزمایش‌های دیگری که با سدیم انجام شد میزان کاهش نوفه زیادتر شد و به 17% رسید، ولی این میزان هنوز هم خیلی کمتر از آن کاهشی است(90%) که بتواند از نظر تکنیکی مفید باشد.
در سال 1986، در برنامة دیگری که در آی‌ بی ‌ام انجام می‌شد انجام می‌شد تراز نوفه‌ای گزارش شد که 13% کمتر از حد کوانتومی استاندارد بود؛ و این مربوط به نوری بود که در یک تار نوری در دمای کمتر از k2ر4 انتشار یافته بود. میزان کاهش نوفه گرچه هنوز کم بود ولی به جای آنکه فقط در مدهای تشدید یک کاواک اپتیکی دیده شود، در دو نوار وسیع بسامد ظاهر شد. در هر دوی این آزمایش‌ها، برای برهم‌کنش اپتیکی غیرخطی از یک آمیزة چهار موجی در بخار سدیم به دست آمد. گروه دانشگاه تگزاس در آستین، رهیافت کاملاً متفاوتی را در مسئلة ایجاد حالت‌های چلانیده در پیش گرفت که بسیار موفق بود؛ در این کار که در آن از واگردانی زیر همساز استفاده شد، یک فوتون با بسامد 2ω به دو فوتون با بسامدهای نزدیک به 2 /2= ω1ω "تقسیم" می‌شود. وقتی نور با طول موج μm 53ر0 به یک بلور لیتیوم نیوبات (که در یک کاواک بود) پمپ شد، میزان کاهشی که برای نوفه در تابش فروسرخ با طول موج μm 06ر1 مشاهده شد 50% از تراز خلأ کمتر بود. این کاهش زیاد معلول مصونیت فرایند واگردانی زیر همساز نسبت به نوفة حاصل از نور پمپی پراکنده شده است. انتظار می‌رود که تلاش‌های بعدی برای واگردانی نزولی پارامتری منجر به کاهش‌هایی در حدود 90% یا بیشتر در نوفة کوانتومی شود.
ماهیت غیر کلاسیک حالت‌های چلانیدة میدان الکترومغناطیسی علاوه بر آنکه به خودی خود جالب توجه است، کاربردهای متعددی نیز در علم اندازه‌گیری و در ارتباطات اپتیکی دارد که به حساسیت‌هایی بیش از حد کوانتومی استاندارد مربوط می‌شود؛ این حد را افت و خیزهایی خلا میدان الکترومغناطیسی تعیین می‌کنند. تکنولوژی حالت چلانیده، بخصوص هنگامی اهمیت پیدا می‌کند که اندازه‌گیری نیروهای کوچک ـ مثلاً آشکارسازی موج گرانشی ـ مطرح باشد. حالت‌های چلانیدة نوری که به داخل یک آشکارساز موج گرانشی تداخلی تزریق شود، سیستم را کمتر از نور همدوس پراشیده می‌کند و در نتیجه، امکان اندازه‌گیری‌های مکرر، بدون افزایش عدم قطعیت، فراهم می‎‌شود. چنین آثاری اصل عدم قطعیت را نقض نمی‌کند، زیرا در واقع افت و خیزها به سیستم افزوده می‌شوند ولی به صورتی که نوفة اضافی اثری بر روی کمیت مورد اندازه‌گیری ندارد.