حقق علماء جامعة جنوب الأورال الحكومية خطوةً هامةً في تطوير أساليب القياس الكمي. يعمل فريق بحثي بقيادة آنا باتيروفا، الباحثة الرئيسية في مختبر «هندسة الضوء الكمي» والحائزة على منحة ميغاغرانت للعلماء الشباب «قياس الأشعة تحت الحمراء باستخدام التداخل الكمي»، على تطوير وتحسين طريقة تداخل غير خطية ضمن برنامج منح «خطوة نحو المستقبل» الذي يحمل اسم ف. ب. خريستينكو. تُحسّن هذه الطريقة بشكلٍ ملحوظ نسبة الإشارة إلى الضوضاء في قياسات الأشعة تحت الحمراء، محولةً الضوضاء الكمية إلى أداةٍ فعّالة.
للتذكير، يرأس مختبر «هندسة الضوء الكمي» الدكتور سيرجي كوليك، أستاذ الفيزياء والرياضيات في جامعة موسكو الحكومية (لومونوسوف)، وتشغل الدكتورة آنا باتيروفا منصب باحثة رئيسية في المختبر.
تُعدّ التطورات التي تُجرى في إطار منحة ف. ب. خريستينكو أحد مجالات عمل المختبر المتعلقة بتطوير وتحسين أساليب التداخل غير الخطي.
تكمن المشكلة الرئيسية في مطيافية الأشعة تحت الحمراء التقليدية في ضعف أداء أجهزة الكشف في هذا النطاق: فالضوضاء الحرارية الناتجة عن الأجسام، وحتى حركات الباحث، تحجب الإشارة الضعيفة المفيدة.
«توضح آنا فلاديميروفنا قائلةً: في البصريات الكمومية، لا تكمن العقبات الرئيسية أمام إجراء التجارب في الظلام، بل في الحركة والضوضاء والضوء الزائد. ولتقليل هذه العقبات، تُجرى جميع التجارب في ظروف خاصة: مختبرات بدون نوافذ لحجب ضوضاء الشارع، وأجهزة كشف مبردة، وطاولات بصرية لتخفيف الاهتزازات، وحتى متطلبات خاصة للملابس (فالألوان الفاتحة قد تعكس الضوء من شاشة الحاسوب المحمول، مما يشوه البيانات). وعند تجميع مقياس تداخل غير خطي، من الضروري تثبيته».
يكمن مفتاح حل المشكلة في استخدام التشتت البارامتري التلقائي – وهي عملية كمومية تنتج عن تفاعل إشعاع الليزر مع تقلبات الفراغ الكهرومغناطيسية. ومن المفارقات أن هذه التقلبات الكمومية الحتمية، المرتبطة عادةً بالضوضاء، تُسهم في العملية بدلاً من إعاقتها، إذ تُحفز تكوين أزواج من الفوتونات المترابطة.
في البلورة غير الخطية، يُولّد الليزر أزواجًا من الفوتونات المترابطة: أحدهما ذو طول موجي مرئي، والآخر ذو طول موجي تحت أحمر. احتمال حدوث مثل هذا الأمر منخفض للغاية (حوالي 10⁻⁶)، ولكنه يفتح آفاقًا جديدة. وكلما زادت قوة الليزر، زادت دقة القياس.
«تُعلق آنا فلاديميروفنا قائلةً: نقترح طريقةً للتداخل غير الخطي تسمح بإجراء قياسات في منطقة الأشعة تحت الحمراء باستخدام كاشف الضوء المرئي. تُسمى تجربتنا «التداخل غير الخطي لتطبيقات التصوير بالأشعة تحت الحمراء أو التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء».
نحن نتخلى عن أجهزة الكشف بالأشعة تحت الحمراء غير الفعالة ونستخدم بدلاً منها أجهزة الكشف في الطيف المرئي، والتي لا تتأثر بالضوضاء الحرارية. وبفضل الترابط الكمي بين الفوتونات، يمكننا، من خلال القياس عند طول موجة فوتون مرئي، تحديد ما حدث لزوج الفوتونات في الأشعة تحت الحمراء. يُحسّن هذا بشكلٍ ملحوظ نسبة الإشارة إلى الضوضاء مقارنةً بالأساليب التقليدية.
قد يكون هذا النهج أكثر فعالية من أساليب القياس التقليدية، مما يفتح المجال أمام قياسات أكثر دقة، لا سيما في مجال الطب الحيوي. ستُمكّن هذه التقنية من تحليل الأنسجة البيولوجية بطريقة غير جراحية من خلال دراسة خطوط الامتصاص النوعية للبروتينات والدهون والحمض النووي DNA والحمض النووي RNA في نطاق الأشعة تحت الحمراء. وهذا بدوره قد يُتيح الكشف عن تغيرات الأنسجة في مراحلها المبكرة، على سبيل المثال، نتيجة التعرض للأدوية أو تطور الأمراض، مما يوفر مستوىً أعمق من التحليل مقارنةً بالأساليب التقليدية.
يحظى عمل المشروع بدعمٍ فعّال ليس فقط من خلال النتائج التجريبية، بل أيضًا من خلال تدريب الكوادر. وقد أسفر البحث عن نشر مقالات في مجلات دولية رائدة، منها Advanced Photonics Research و Laser Physics Letters.
على سبيل المثال، نُشرت دراسة (E.S. Zatsepin, et al, “Dispersion Analysis of Silver Thiogallate in a Broad Mid‐Infrared Range”, Advanced Photonics Research 7(1), e202500267 (2026)، والتي حظيت باهتمامٍ كبير. الآراء، بالإضافة إلى المنشور الذي قام به إي. إس. زاتسيبين وآخرون، (E.S. Zatsepin, et al, “Generation of spontaneous parametric down conversion from BaGa2GeS6 crystal”, Laser Physics Letters 23(1), 015201 (2026)).
بفضل منحة ف. ب. خريستينكو، يُقدّم طلاب البكالوريوس والدراسات العليا المشاركون في المشروع نتائج أبحاثهم بانتظام في المؤتمرات. في شهر مارس 2026، فاز ثلاثة باحثين شباب - يفغيني زاتسيبين (طالب دراسات عليا)، وأرتيوم سابانين (طالب ماجستير في السنة الثانية بقسم الإلكترونيات النانوية)، وتيخون ليونوفيتس (طالب بكالوريوس في السنة الثالثة بقسم الإلكترونيات النانوية) - بجوائز مسابقة شبكة الكم بين الجامعات، ودافعوا بنجاح عن أعمالهم في الدورة التاسعة للمدرسة الدولية لتقنيات الكم في سوتشي. في شهر يوليو 2026، ستُجري مجموعة أخرى من الطلاب (صوفيا أورلوفا (طالبة بكالوريوس في السنة الرابعة بقسم الإلكترونيات النانوية) وأندريه شيشكين (طالب بكالوريوس في السنة الثانية بقسم المعلوماتية الضوئية)) تدريبًا عمليًا في معهد كورتشاتوف (موسكو).
علاوة على ذلك، سيكون الحدث العلمي التالي هو الندوة العلمية والعملية السادسة بعنوان «المشاكل الحديثة لتقنيات الكم: أجهزة الاستشعار التطبيقية»، والتي ستعقد في جامعة جنوب الأورال الحكومية في أواخر يونيو 2026 وستجمع خبراء في أجهزة الاستشعار الكمومية والمجالات ذات الصلة.
يُنفَّذ هذا المشروع في إطار برنامج منح «خطوة نحو المستقبل» الذي يحمل اسم ف. ب. خريستينكو. يوفر هذا البرنامج دعمًا ماليًا سنويًا لبرنامج تطوير الجامعة ضمن برنامج «الأولوية - 2030». تُقدَّم المنح للبحوث المتقدمة، وتنمية الكفاءات، وتنفيذ برامج تعليمية فريدة (مكونات) تُسهم في تطوير جامعة جنوب الأورال الحكومية ومنطقة تشيليابينسك.