در مکانیک کوانتومی، اندازه‌گیری دقیق و همزمان ویژگی‌های مکمل (مانند مکان و اندازه حرکت) یک حالت کوانتومی، غیرممکن است. حالا و در مطالعه‌ی جدیدی، فیزیکدانان حالت‌های کوانتومی را تکثیر (کلون) کرده و ثابت کرده‌اند، اندازه‌گیری همزمان و دقیق ویژگی های مکمل کوانتومی کلون‌ها، امکان‌پذیر است. این اندازه‌گیری‌ها، حالت سیستم کوانتومی ورودی را نیز مشخص می‌کند. نتایج این مقاله هیجان‌انگیز که توسط فیزیکدانان دانشگاه اوتاوا انجام گرفت، چند روز پیش در مجله‌ی اصیل PHYSICAL REVIEW LETTERS منتشر شد. با دیپ لوک همراه باشید…
در جهان کلاسیکی می‌توان حالت های مکمل یک سیستم را به طور همزمان و به طور دقیق اندازه‌گیری کرد و بدین ترتیب، حالت سیستم را مشخص نمود، اما چنین امکانی در دنیای کوانتومی، وجود ندارد! این، همان اصل مشهوری است که ورنر هایزنبرگ در سال ۱۹۲۷ پیشنهاد کرد (اصل عدم قطعیت هایزنبرگ). البته هایزنبرگ قبل از استنباط چنین اصلی، بیان کرد هر بار اندازه‌گیری یک سیستم کوانتومی، یک اختلال را به سیستم، القا می‌کند (یادمان نرود که این فقط یه برداشت خام بود و بعدها معلوم شد، عدم قطعیت در دل معادلات مکانیک کوانتومی، تنیده شده و ربطی به اندازه‌گیری و اختلال حاصل از آن ندارد). این اختلال، وقتی در حال اندازه‌گیری ویژگی های مکمل هستیم، بیشترین مقدار خود را دارد، مثلا اندازه‌گیری مکان یک ذره، اندازه حرکت آن را مختل کرده و در نتیجه حالت کوانتومی‌اش را تغییر خواهد داد. اندازه‌گیری‌های ویژگی های مکمل فیزیکدانان را از زمان هایزنبرگ، وسوسه کرده است.
حالا دانشمندان روش هوشمندانه‌ای برای اندازه گیری ویژگی های مکمل کوانتومی ابداع کرده‌اند. در این روش، یک کپی از سیستم کوانتومی ایجاد شده و سپس ویژگی موردنظر به طور مستقل روی هر کپی سیستم، اندازه‌گیری می‌شود. از آنجایی که اندازه‌گیری‌ها به طور جداگانه انجام می‌شوند، یکدیگر را مختل نمی‌کنند. این اندازه‌گیری‌ها اطلاعات سیستم کوانتومی اصلی را به ما می‌دهند، زیرا کپی‌ها،دارای همان اطلاعات سیستم اصلی هستند. این رویکرد فورا باعث محدودیت کوانتومی دیگری می‌شود: به علت قضیه تکثیرناپذیری (no-cloning theorem)، غیرممکن است بتوانیم کپی کاملی از یک حالت کوانتومی بسازیم، اما راه بن‌بست نیست! فیزیکدانان در این پژوهش، نزدیکترین همتای کپی کردن، یعنی تکثیر کردن بهینه را به‌کار گرفته‌اند. قسمت‌هایی از یک کلون کوانتومی که ویژگی‌های دقیقا یکسانی را به اشتراک می‌گذارند، دوقلوها نامیده می‌شوند (این دوقلوها به عنوان حالت ورودی، وارد سیستم اندازه‌گیری می‌شوند).
اگرچه کپی‌های کامل حالت کوانتومی، غیرهمبسته‌اند، اما این دوقلوها، درهم تنیده هستند. فیزیکدانان نشان دادند این درهم تنیدگی باعث می‌شود اندازه‌گیری مستقل ویژگی های مکمل در هر قل، هم‌ارز با اندازه‌گیری همزمان ویژگی های مکمل در حالت اصلی بوده و منجر به نتیجه‌ی اصلی آزمایش می‌شود: اندازه‌گیری همزمان ویژگی های مکمل دوقلوها، حالت سیستم کوانتومی اصلی (یعنی همان تابع موج) را به دست می‌دهد. یکی از پژوهشگران می‌گوید:
در مکانیک کوانتومی، اندازه‌گیری، حالت سیستم در حال اندازه‌گیری را تغییر می‌دهد. فیزیکدانان همیشه با این مانع، روبرو بوده‌اند، مثلا وقتی در پی تعیین حالت سیستم های کوانتومی مانند تک فوتون‌ها بوده‌اند. در گذشته، فیزیکدانان موفق به انجام اندازه‌گیری‌های بسیار ظریفی (اندازه‌گیری ضعیف) برای دور زدن این اختلال، شده‌اند. کار ما، اولین پژوهش برای تعیین ویژگی های مکمل یک سیستم کوانتومی نیست، ولی ما نشان داده‌ایم با نگرش جدیدی می‌توان به این قضیه نگاه کرد که مبتنی بر یک ایده‌ی ساده است. فرض کنید می‌خواهیم اندازه حرکت و مکان یک ذره را اندازه‌گیری کنیم. با علم به اینکه، اندازه‌گیری‌ها حالت ذره را مختل خواهند کرد، آیا می‌توانیم ابتدا ذره را کپی کرده و سپس مکان را روی یک کپی و اندازه حرکت را روی کپی دیگر، اندازه‌گیری کنیم؟ این سوال، ایده و انگیزه‌ی اولیه‌ی ما بود. اما فقط کپی کردن، کافی نیست، بلکه کپی‌های اندازه‌گیری شده در این آزمایش، باید درهم تنیده هم باشند. این چیزی است که ما به طور تجربی نشان دادیم. به جای تعیین مکان و اندازه حرکت یک ذره، ما ویژگی های قطبش مکمل تک فوتون‌ها را تعیین کردیم. شاید شهودتان بگوید این روش به علت قضیه تکثیرناپذیری، شکست می‌خورد، ولی ما نشان دادیم که چنین اتفاقی نمی‌افتد و این بااهمیت‌ترین نتیجه‌ی ماست: اندازه‌گیری ویژگی های مکمل دوقلوها، مستقیما حالت کوانتومی سیستم کپی شده را نشان می‌دهد. در زندگی روزمره، اطلاعات اغلب کپی می‌شوند، درست مثل وقتی یک سند را کپی می‌کنیم یا وقتی DNA در بدن ما تکثیر می‌شود، اما در سطح کوانتومی، فرآیند کپی اطلاعات، قطعا با نویز یا نقص همراه است که ناشی از قضیه ریاضی تکثیرناپذیری است. با این حال، فیزیکدانان دست از تلاش برنداشتند: آنها روشهایی به نام روش تکثیر بهینه را توسعه دادند که میزان نویز فرآیند کپی شدن را کمینه می‌کند. این‌بار، ما یک گام فراتر رفته و نشان دادیم حذف کامل نویز از اندازه‌گیری‌های یک کپی، با استفاده از ترفند هوشمندانه‌ای که به طور نظری در سال ۲۰۱۲ توسط هولگر هوفمن، پیشنهاد شد، امکان‌پذیر است. نتایج ما، قضیه تکثیرناپذیری را نقض نمی‌کند، زیرا ما هیچگاه کپی‌های کامل تولید نمی‌کنیم، بلکه فقط نتایج اندازه‌گیری را که در صورت اندازه‌گیری کپی‌های کامل بدست می‌آمد را تکرار می‌کنیم.
فیزیکدانان این روش جدید را با استفاده از دوقلوهای فوتونیک، ثابت کردند. آنها انتظار دارند توانایی اندازه‌گیری‌های همزمان و دقیق ویژگی های مکمل در دوقلوها در مورد کامیپوترهای کوانتومی هم، قابل کاربرد باشد. تحقق چنین انتظاری می‌تواند منجر به کاربردهای جالبی می‌شود، مثلا ارائه‌ی یک روش بهینه برای اندازه‌گیری مستقیم حالت‌های کوانتومی با ابعاد بالا که در محاسبات کوانتومی و رمزگذاری کوانتومی استفاده می‌شوند. دانشمندان معتقدند:
تعیین حالت یک سیستم،مهم‌ترین کار در فیزیک کوانتومی است. وقتی حالت سیستم، تعیین شد، همه چیز در مورد سیستم، معلوم می‌شود. سپس این دانش را می‌توان مثلا برای پیش‌بینی نتایج اندازه‌گیری و تایید اینکه همان آزمایش موردنظر، در حال انجام است، به کار برد. این تایید مخصوصا زمانی مهم است که حالت‌های پیچیده تولید می‌شوند، مثل حالت‌هایی که در کامیپوترهای کوانتومی یا رمزگذاری کوانتومی موردنیاز است. معمولا حالت‌های کوانتومی با برش نگاری مشخص می‌شوند که خیلی شبیه یه چیزی که در فرآیند تصویربرداری CAT مغز انجام می‌شود. اما محدودیت این روش، آن است که حالت موردنظر همیشه به طور کلی، بازسازی می‌شود. در مقابل، روش ما مقدار حالت کوانتومی را در هر نقطه‌ی دلخواه تعیین می‌کند که بهینه‌تر و مستقیم‌تر از روش‌های سنتی است. ما روش خود را با استفاده از تک فوتون‌ها، ثابت کردیم، اما می‌توان آن را در سیستم‌های متنوع دیگری، مانند کامپیوتر کوانتومی استفاده کرد. ما پیش‌بینی می‌کنیم این روش می‌تواند برای تشخیص بهینه‌ی حالت‌های کوانتومی پیچیده‌ی درون یک کامپیوتر کوانتومی به کار رود.
گفتگو۱ دیدگاه
با سلام و تشکر مقاله بالا یعنی رد اصل عدم قطعیت یعنی همزمان مکان و تکانه قابل اندازه گیری است .من مبتدی هستم کمی توضیح دهید یا منظور اختلال در اندارزه گیری است .