فیزیکدانان دریافتند که همدوسی و درهم تنیدگی کوانتومی دو روی یک سکه اند

همدوسی و درهم تنیدگی کوانتومی، دو ویژگی بسیار مهم کوانتومی هستند. حالا فیزیکدانان نشان داده اند که این دو پدیده، عملاً هم ارز اند، با وجود اینکه هنوز مفاهیم متمایزی هستند. با دیپ لوک همراه باشید… این یافته به فیزیکدانان اجازه می دهد تا دهه ها پژوهش در مورد درهم تنیدگی را با عمق بیشتری به کارببرند. از طرفی مفهوم کمتر بررسی شده ی همدوسی، باعث پیشرفت تکنولوژی های کوانتومی خواهد شد.

اجازه دهید قبل از هر چیز معنای این دو مفهوم را با هم بررسی کنیم: به زبان بسیار ساده، درهم تنیدگی کوانتومی به معنای تاثیر یک ذره بر حالت ذره ی دیگر است، یعنی ذرات را نمی توان به صورت مستقل از یکدیگر اندازه گرفت. اما حالت های همدوس به نوعی نشان دهنده ی ارتباط مکانیک کوانتوم و مکانیک کلاسیک هستند . در واقع این حالت ها، حالت کوانتومی ویژه ای از نوسانگر هماهنگ کوانتومی هستند و بیشترین شباهت را به رفتار نوسانی نوسانگر هماهنگ کلاسیکی دارند. این حالات، بسته موج هایی هستند که حاصلضرب مکان-تکانه ی ثابتی داشته و مانند دیگر امواج در زمان پهن نمی شوند. حالت های همدوس، ویژه حالت عملگر نابودی هستند.

همدوسی و درهم تنیدگی کوانتومی دو روی یک سکه: اقوامی نزدیک با ریشه های نزدیک

اگرچه فیزیکدانان دریافته اند که همدوسی و درهم تنیدگی، اقوام نزدیکی هستند، اما ارتباط دقیق بین ریشه های آنها، هنوز واضح نیست، بلکه تنها میدانند که همدوسی کوانتومی و درهم تنیدگی کوانتومی، هر دو از اصل برهم نهی حالات نشات گرفته اند. همدوسی کوانتومی بر این اصل استوار است که تمام اشیا، ویژگی های موج مانندی دارند. اگر ماهیت موج مانند یک شی به دو حالت شکافته شود، دو موج می توانند به طور همدوسی بر یکدیگر اثر بگذارند، مانند حالتی که حاصل برهم نهی دو حالت است. مفهوم برهم نهی، بسیار مشهور است، منظورم همان گربه شرودینگر است که گربه در یک لحظه، هم مرده است و هم زنده و حالت همدوس آن درون یک جعبه ی بسته است. همدوسی در قلب محاسبات کوانتومی جای می گیرد. وقتی یک کیوبیت با برهم نهی حالت های ۰ و ۱ باعث افزایش سرعت الگوریتم های کلاسیکی می شود.

پدیده ی دوم، یعنی درهم تنیدگی کوانتومی نیز، دربردارنده ی مفهوم برهم نهی و تداخل است. اما در این مورد، حالات موجود در برهم نهی، به جای دو موج جدای یک ذره، حالات اشتراکی دو ذره ی درهم تنیده، درگیر هستند. همانطور که در بالا گفتم درهم تنیدگی، ناشی از این حقیقت است که دو ذره ی درهم تنیده، بسیار به یکدیگر نزدیک و وابسته هستند و اندازه گیری روی یک ذره، فوراً روی ذره ی دیگر تاثیر می گذارد، حتی زمانیکه با مسافتی طولانی از هم جدا شده باشند. مثل همدوسی، درهم تنیدگی کوانتومی هم نقشی بسیار مهم در تکنولوژی های کوانتومی، مانند انتقال اطلاعات کوانتومی، رمزنگاری کوانتومی و رمزنگاری ابرچگال بازی می کند.

تبدیل یکی به دیگری

در مقاله ای که در ژورنال Physical Review Letters منتشر شد، پاسخ ساده، اما قدرتمندی در مورد چگونگی ارتباط این دو منبع به یکدیگر داده شد: دانشمندان نشان می دهند که همدوسی و درهم تنیدگی، از نظر کیفی یا عملکردی؛ هم ارز هستند. اما فیزیکدانان چگونه با این نتیجه رسیدند؟ آنها نشان دادند که هر میزان غیرصفری از همدوسی در یک سیستم می تواند به میزان هم ارزی از درهم تنیدگی تبدیل شود. کشف این تبدیل متقابل همدوسی و درهم تنیدگی، چندین کاربرد مهم دارد. بدان معنا که میتوان همدوسی کوانتومی را از طریق درهم تنیدگی اندازه گیری کرد. پس در واقع دانشمندان با یک تیر دو نشان می زنند: تمام دانش وسیعی که در مورد درهم تنیدگی بدست آورده اند، حالا می توانند مستقیماً در مورد همدوسی هم به کار گیرند، چرا که همدوسی حوزه ای است که تحقیق بسیار کمی در مورد آن انجام شده است (غیر از حوزه ی اپتیک کوانتومی).

نویسندگان این مقاله می گویند: “اهمیت کار ما در این است که ما ثابت کردیم که ارتباط نزدیک بین درهم تنیدگی و همدوسی، تنها کیفی نیست، بلکه در یک سطح کمی هم وجود دارد. به طور دقیق تر، ما نشان دادیم که هر کمیت درهم تنیدگی به یک کمیت همدوسی مرتبط می شود.” همانطور که قبلاً هم گفتم اگرچه نتایج نشان می دهد که همدوسی و درهم تنیدگی از نظر عملکرد، هم ارز هستند، اما این بدان معنا نیست که مفاهیم دقیقاً یکسانی هستند، بلکه تنها ریشه های یکسانی دارند.

a) حالات ورودی که کاملاٌ ناهمدوس هستند (S و A) نمی توانند از طریق عمل های ناهمدوس به درهم تنیدگی کوانتومی تبدیل شوند. b) از طرف دیگر، زمانیکه حالت ورودی S، همدوسی غیرصفری دارد، همدوسی می تواند از طریق عمل های ناهمدوسی به درهم تنیدگی تبدیل شود. نتایج جدید نشان می دهد که در چنین سناریویی، همدوس ورودی و درهم تنیدگی خروجی، از نظر کیفی هم ارز هستند.

آینده ی ارتباطات کوانتومی

هم ارزی عملی همدوسی و درهم تنیدگی بر حوزه های نظریه ی اطلاعات کوانتومی تا زمینه های تازه تر مانند بیولوژی کوانتومی و ترمودینامیک مقیاس نانو، بسیار موثر خواهد بود. فیزیکدانان در نظر دارند تا در آینده بررسی کنند که کدام یک از مفاهیم همدوسی و در هم تنیدگی می توانند به مفهوم سومی هم تبدیل شود. دانشمندان این پژوهش می گویند: “برنامه ی آینده ی ما متنوع است. در بخش نظری، ما تلاش می کنیم چارچوب متحد و یکپارچه ای برای تفسیر، دسته بندی و سنجش شکل های متفاوت مفاهیم کوانتومی بنا کنیم. در بخش عملی، ما در حال بررسی این چالش هستیم که چگونه درهم تنیدگی و همدوسی کوانتومی را در محیط های پر از نویز، تشخیص دهیم، بسنجیم و حفظ کنیم. ما امیدواریم که این نتایج، الهام بخش روش های کارآمد و مقیاس پذیری برای تبدیل مفاهیم کوانتومی متفاوت به یکدیگر شود. روش هایی که بشدت روی تکنولوژی های آینده تاثیر خواهند داشت و ما را به درک بهتر مرزهای کوانتوم در واقعیت، نزدیک تر خواهد کرد.”

منبع: phys.org