ردیابی ذرات کوانتومی : وقتی دانشمندان به منطقه ممنوعه مکانیک کوانتومی، سرک میکشند!

0

ردیابی ذرات کوانتومی در طول انجام آزمایش‌های کوانتومی، چالشی است که دانشمندان از ابتدای پیدایش فیزیک کوانتومی با آن روبرو بوده و تلاشهای بسیاری برای حل آن بکار گرفته‌اند، اما این بار، دانشمندان با سرک کشیدن در منطقه‌ی ممنوعه‌ی مکانیک کوانتومی، موفق به ردیابی ذرات کوانتومی شده‌اند. با دیپ‌لوک همراه باشید…

گروهی از محققان دانشگاه کمبریج به قلمروی محرمانه‌ی مکانیک کوانتومی، نگاه مخفیانه‌ای انداخته‌اند. در یک مقاله نظری که در مجله علمی Physical Review A منتشر شده، آنها نشان داده‌اند که نحوه‌ی تعامل ذرات با محیط اطرافشان می‌تواند برای ردیابی ذرات کوانتومی که مشاهده نشده‌اند، مورد استفاده قرار بگیرد، راهی که تاکنون غیرممکن به نظر می‌رسید.

یکی از ایده‌های بنیادی نظریه‌ی کوانتومی این است که اشیای کوانتومی دارای ماهیت ذره‌ای و موجی هستند و به صورت مطلق یکی از این دو حالت، نمی‌توانند وجود داشته باشند، مگر تا زمانیکه اندازه‌گیری شوند. این فرضیه‌ای بود که اروین شرودینگر آن‌ را با آزمایش فکری معروف خود به اینصورت که «گربه درون جعبه یا مرده است یا زنده» به زیبایی بیان می‌نمود. دیوید آرویدسون شوکور (David Arvidsson-Shukur)، دانشجوی مقطع دکتری دانشگاه کمبریج و نویسنده اول مقاله می‌گوید:

دانشمندان از تابع موج (Wave function)، بیشتر به عنوان یک ابزار ریاضی استفاده کرده‌اند، تا نمایشی از ذرات کوانتومی حقیقی. و به این دلیل است که ابداع روشی برای ردیابی حرکات سری و ناشناخته ذرات کوانتومی برای ما، تبدیل به یک چالش شده بود.

هر ذره‌ای بطور مستمر با محیط اطرافش تعامل کرده و در طول مسیر، نشانه‌ها یا برچسب‌هایی (tagging) بر روی آن می‌گذارد. آرویدسون شوکور و همکارانش از دانشکده علوم اقتصادی، روشی ارائه کرده‌اند که این نشانه‌‌ها را بدون مشاهده‌ی آن‌ها ترسیم می‌کند. این تکنیک برای دانشمندانی که در انتهای آزمایش، فرآیند اندازه‌گیری را انجام می‌دهند اما در عین حال می‌خواهند حرکات ذرات را در سرتاسر آزمایش دنبال کنند، مفید خواهد بود.

برخی دانشمندان کوانتومی پیشنهاد کرده‌اند که اطلاعات می‌تواند بین دو شخص (آلیس و باب)، بدون آنکه هیچ ذره‌ای بین آن‌ها جابجا شود، انتقال یابد (به کمک درهم تنیدگی کوانتومی). به یک معنا، آلیس پیام را بصورت تله‌پاتی دریافت می‌کند. این عمل، مخابرات غیرحقیقی (counterfactual communication) نام گرفته چرا که برخلاف مخابرات حقیقی است که در آن برای انتقال اطلاعات میان دو منبع، باید ذرات بین آن دو حرکت کنند. آرویدسون شوکور اضافه می‌کند که:

برای اندازه‌گیری پدیده‌ی مخابرات غیرحقیقی، به روشی نیاز داریم تا محل حضور ذرات بین آلیس و باب را زمانی که به آن‌ها نگاه نمی‌کنیم، نشانه گذاری کند و به عبارتی عمل ردیابی ذرات کوانتومی را انجام دهد. روش نشانه‌گذاری ما درست همین کار را انجام می‌دهد. به علاوه می‌توانیم پیش‌بینی‌های قدیمی مکانیک کوانتومی را تایید کنیم؛ مثلا اینکه ذرات می‌توانند به طور همزمان در مکان‌های متفاوتی حضور داشته باشند.

بنیان‌گذاران فیزیک مدرن، فرمولی ابداع کرده‌اند که احتمال نتایج مختلف حاصل از آزمایش‌های کوانتومی را محاسبه می‌کند. با این وجود، آن‌ها هیچ توضیحی مبنی بر اینکه یک ذره کوانتومی در مدت زمانی که مشاهده نمی‌شود چه کار می‌کند، ارائه نکرده‌اند. آزمایشی‌های اولیه نشان می‌دهند که ممکن است ذرات، رفتارهای غیرکلاسیکی از خود نشان دهند، مثلا یک ذره به طور همزمان، در دو مکان وجود داشته باشد.

محققان کمبریج این حقیقت را در نظر گرفته‌اند که هر ذره‌ای که از طریق فضا سفر می‌کند، بر محیط اطراف خود اثرات متقابل خواهد داشت؛ این اثرات یا تعاملات با محیط اطراف، چیزی است که آن‌ها به عنوان برچسب‌گذاری یا نشانه‌های ذرات یاد می‌کنند. این تعاملات اطلاعاتی را در ذرات، رمزگذاری می‌کند که می‌تواند در پایان آزمایش، زمانی که ذره اندازه‌گیری می‌شود، تفسیر گردد. محققان متوجه شدند اطلاعات رمزگذاری شده در ذرات، مستقیما با تابع موجی که شرودینگر یک قرن پیش فرض کرد، مربوط است. این در حالی است که تابع موج قبلا به عنوان یک ابزار انتزاعی محاسباتی برای پیش‌بینی خروجی‌ آزمایش‌های کوانتومی تصور می‌شد. آرویدسون می‌گوید:

نتایج ما پیشنهاد می‌کند که تابع موج رابطه‌ی بسیار نزدیکی با مکان واقعی ذرات دارد. بنابراین ما توانسته‌ایم منطقه ممنوعه مکانیک کوانتومی را بررسی کنیم، یعنی نشانه‌گذاری مسیر ذرات کوانتومی زمانی که هیچ کسی آن‌ها را نگاه نمی‌کند!

لیسانس الکترونیک دارم و مشغول به تحصیل در مقطع فوق لیسانس در رشته نانوالکترونیک هستم. علاقمند به کوانتوم و کیهان شناسی- کوچکترین و بزرگترین دنیای فیزیک- هستم.

ارسال نظر