گشایش در‌های جدیدی به روی علم کوانتوم

به گزارش راهبرد معاصر؛ محققان دانشگاه اتاوا با همکاری دانیلو زیا و فابیو اسکیارینو از دانشگاه ساپینزا رم، اخیراً تکنیک جدیدی را کشف کرده‌اند که امکان تجسم عملکرد موج دو فوتون درهم تنیده و ذرات بنیادی تشکیل دهنده نور را در حالت واقعی فراهم می‌کند.

اگر بخواهیم مفهوم در هم تنیدگی را به یک جفت کفش تشبیه کنیم، درهم تنیدگی را می‌توان به انتخاب یک کفش به صورت تصادفی تشبیه کرد. اگر شما یکی از کفش‌ها را شناسایی کنید، بدون توجه به موقعیت آن در جهان، ماهیت کفش دیگر، فوراً تشخیص داده می‌شود. با این حال، عامل جذاب، عدم قطعیت ذاتی مرتبط با فرآیند شناسایی تا لحظه دقیق مشاهده است.

تابع موج، یک اصل مرکزی در مکانیک کوانتومی، درک جامعی از حالت کوانتومی ذره ارائه می‌دهد. به عنوان مثال، در مثال کفش، «تابع موج» کفش می‌تواند اطلاعاتی مانند چپ یا راست، اندازه، رنگ و ... را در بر داشته باشد. به طور دقیق‌تر، تابع موج دانشمندان کوانتومی را قادر می‌سازد تا نتایج احتمالی اندازه‌گیری‌های مختلف را روی یک موجود کوانتومی پیش‌بینی کنند، به عنوان مثال. موقعیت، سرعت و غیره.

این قابلیت پیش‌بینی بسیار ارزشمند است، به‌ویژه در زمینه فناوری کوانتومی که به سرعت در حال پیشرفت است، جایی که دانستن یک حالت کوانتومی تولید شده یا ورودی در یک رایانه کوانتومی امکان آزمایش خود رایانه را فراهم می‌کند. علاوه بر این، حالت‌های کوانتومی مورد استفاده در محاسبات کوانتومی بسیار پیچیده هستند و موجودیت‌های زیادی را در بر می‌گیرند که ممکن است درهم تنیدگی قوی از خود نشان دهند.

دانستن عملکرد موج چنین سیستم کوانتومی یک کار چالش برانگیز است، این به عنوان توموگرافی حالت کوانتومی یا به طور خلاصه توموگرافی کوانتومی نیز شناخته می‌شود. با رویکرد‌های استاندارد بر اساس عملیات پروژکتوری، یک توموگرافی کامل نیاز به تعداد زیادی اندازه گیری دارد که با پیچیدگی سیستم به سرعت افزایش می‌یابد.

آزمایش‌های قبلی که با این رویکرد توسط گروه تحقیقاتی انجام شد، نشان داد که تعیین یا اندازه‌گیری حالت کوانتومی با ابعاد بالا دو فوتون درهم‌تنیده می‌تواند ساعت‌ها یا حتی روز‌ها طول بکشد. علاوه بر این، کیفیت نتیجه بسیار حساس به نویز است و به پیچیدگی تنظیمات آزمایشی بستگی دارد.

رویکرد اندازه‌گیری تصویری برای توموگرافی کوانتومی را می‌توان به‌عنوان نگاه کردن به سایه‌های یک جسم با ابعاد بالا که از جهات مستقل بر روی دیوار‌های مختلف پخش می‌شود، در نظر گرفت. تنها چیزی که یک محقق می‌تواند ببیند سایه‌ها است و از آن‌ها می‌تواند شکل و وضعیت جسم کامل را استنتاج کند. به عنوان مثال، در سی تی اسکن «اسکن توموگرافی کامپیوتری»، اطلاعات یک شی سه بعدی را می‌توان از مجموعه‌ای از تصاویر دو بعدی بازسازی کرد.

اما در اپتیک کلاسیک راه دیگری برای بازسازی یک شی سه بعدی وجود دارد. این هولوگرافی دیجیتال نامیده می‌شود و بر اساس ثبت یک تصویر منفرد به نام تداخل نگاری است که با تداخل نور پراکنده شده توسط جسم با نور مرجع به دست می‌آید.

این تیم به سرپرستی ابراهیم کریمی، رئیس پژوهشی کانادا در امواج کوانتومی ساختاریافته، مدیر مشترک مؤسسه تحقیقاتی فناوری‌های کوانتومی «Nexus «NexQT و دانشیار دانشکده علوم، این مفهوم را به دو فوتون تعمیم داد.

بازسازی یک حالت دو فوتونی مستلزم قرار دادن آن با یک حالت کوانتومی احتمالاً شناخته شده، و سپس تجزیه و تحلیل توزیع فضایی موقعیت‌هایی است که دو فوتون به طور همزمان می‌رسند. تصویربرداری از ورود همزمان دو فوتون به عنوان یک تصویر تصادفی شناخته می‌شود. این فوتون‌ها ممکن است از منبع مرجع یا منبع ناشناخته آمده باشند. مکانیک کوانتومی بیان می‌کند که منبع فوتون‌ها قابل شناسایی نیست.

این منجر به یک الگوی تداخلی می‌شود که می‌تواند برای بازسازی تابع موج ناشناخته استفاده شود. این آزمایش توسط دوربین پیشرفته‌ای امکان پذیر شد که رویداد‌ها را با وضوح نانوثانیه بر روی هر پیکسل ثبت می‌کند.

دکتر آلسیو د اریکو، عضو فوق دکتری در دانشگاه اتاوا و یکی از نویسندگان مقاله، مزایای بی‌شمار این رویکرد نوآورانه را برجسته می‌کند: «این روش به‌طور تصاعدی سریع‌تر از تکنیک‌های قبلی است و به جای روزها، تنها به دقیقه یا چند ثانیه نیاز دارد. نکته مهم این است که زمان تشخیص تحت تأثیر پیچیدگی سیستم نیست.»

تأثیر این تحقیق فراتر از جامعه دانشگاهی است. این پتانسیل برای سرعت بخشیدن به پیشرفت‌های فناوری کوانتومی، مانند بهبود خصوصیات وضعیت کوانتومی، ارتباطات کوانتومی، و توسعه تکنیک‌های جدید تصویربرداری کوانتومی را دارد. / ثریا