ظهور ساعت‌های پاندول‌دار کلاسیکی و همگامی کوانتومی در سیستم‌های درهم تنیده!

تا به حال به این نکته توجه کرده‌اید که ساعت‌های پاندول‌دار جدا از هم می‌توانند به‌طور همزمان، تیک‌تاک کرده و همگام شوند؟ پدیده‌ی همگامی خودسازمان‌یافته، به وفور در طبیعت رخ می‌دهد و موضوع اصلی این مقاله است. دانشمندان موسسه ماکس پانک در پژوهش جالبی نشان داده‌اند که حتی سیستم‌های کوانتومی هم می‌توانند بدون تاثیر هیچ نیروی خارجی، با یکدیگر همگام شوند، چیزی که آن را همگامی کوانتومی می‌نامیم. این همگامی کوانتومی خود را در عجیب‌ترین ویژگی دنیای کوانتومی،‌ یعنی درهم تنیدگی نشان می‌دهد. نتیجه‌ی این پژوهش در مجله Nature Communications منتشر شده است. با دیپ لوک همراه باشید…

در سال ۱۶۶۵، محقق آلمانی به نام کریستیان هویگنس روی ساخت ساعت‌های جدیدی برای کشتی‌ها کار می‌کرد. در آن زمان، ساعت‌های پاندولی با شکل‌های ویژه، برای افزایش حساسیت ساعت‌های کشتی استفاده می‌شدند. در واقع از آنجایی که کشتی‌ها روی آب، تاب می‌خورند، نیاز به ساعت‌هایی ویژه برای چنین وضعیت‌هایی بود. این ساعت‌ها بسیار دقیق بوده و برای تعیین دقیق عرض جغرافیایی به‌کار می‌رفتند. هویگنس، دو ساعت پاندولی ساخته و آنها را درون یک اتاقک آویزان کرده بود، به‌گونه‌ای که حرکات نوسانی کشتی را جبران می‌کردند. در این حین، او پدیده‌ی عجیبی را کشف کرد: اگرچه نوسان ساعت‌ها، مستقل از یکدیگر و فارغ از تاثیر هرگونه نیروی خارجی بود، اما نیم ساعت پس از هر بار راه‌اندازی آنها، پاندول‌ها به طور دقیق و هماهنگ با یکدیگر نوسان می‌کردند. هویگنس حدس زد این دو پاندول، از طریق حرکت‌های غیرقابل مشاهده‌ی بسیار ظریفی با یکدیگر همگام شده‌اند. حدس او درست بود، چیزی که فیزیکدانان بعدها برای چنین سیستم‌های درحال نوسانی، ثابت کردند.

آویزان شدن، علت همگامی پاندول‌ها

همگامی نوسانگرهای مستقل، در بسیاری از سیستم‌های طبیعت و مهندسی دیده می‌شود. پیش‌نیاز این همگامی، یک جفت‌شدگی ظریف است، درست مانند ساعت‌های پاندولی که از طریق یک طناب مشترک، آویزان شده بودند. دانشمندان این حالت را رفتار قفلی می‌نامند، به این معنی که تمام نوسانگرهای همگام، در یک فرکانس خاص با یکدیکر هماهنگ شده و سپس در آن به دام می‌افتند. برای درک بهتر، به دوران کودکی بازگشته و الاکلنگ‌ را تصور کنید! هر الاکلنگ، یک میله در میانه‌ی خود دارد که دو صندلی به آن وصل شده‌اند. اگر هر یک از دو صندلی را از مکان‌های ابتدایی متفاوتی حرکت دهید، پس از مدتی به یک فرکانس یکسان، همگام می‌شوند. البته مثال‌ها، تنها به نوسانگرهای مکانیکی، محدود نمی‌شود. همگامی در بسیاری از شبکه‌های بیولوژیکی رخ می‌دهد، مثلا تحریک عصب ها در مغز، همگام می‌شود. همگامی امواج مغزی در نواحی معینی، یکی از عوامل بسیار مهم برای شکل‌گیری قدرت تفکر است. همگامی وسیع و در مقیاس بزرگ امواج مغزی، علامت بیماری صرع است!

همگامی کوانتومی در سیستم های درهم تنیده

تمام مثال‌هایی که تاکنون بررسی کردیم مبتنی بر مبانی کلاسیکی هستند، اما حالا دانشمندان کشف کرده‌اند همگامی حتی در سیستم‌های کوانتومی خالص نیز رخ می‌دهد. دانشمندان در مقاله منتشرشده، برای نخستین بار ثابت کرده‌اند که سیستم‌های منزوی متشکل از تعداد زیادی از اشیای کوانتومی، مانند اتم‌های چگالیده‌ بوز-اینشتین که در یک شبکه‌ی نوری به دام افتاده‌اند، می‌توانند به شیوه‌ای کاملا مشابه با سیستم‌های کلاسیکی، همگام شوند.

در یک چگالیده بوز-اینشتین که درک تحربی آن منجر به نوبل فیزیک سال ۲۰۰۱ شد، چندین اتم مانند یک شی کوانتومی یگانه رفتار می‌کنند. در چنین سیستمی، اتم‌های جداگانه می‌توانند در یک شبکه‌ی نوری به دام بیفتند. چنین شبکه‌ای از پتانسیل الکترومغناطیسی پرتوهای لیزر متقاطع تشکیل شده و یک جعبه تخم مرغ ساخته شده از نور را تداعی می‌کند. ذرات کوانتومی درون این شبکه می‌توانند بدون تاثیر هیچ نیروی خارجی همگام شوند.

این سیستم‌های کوانتومی نوسانی را می‌توان به‌صورت ساعت‌های پاندولی هویگنس تصور کرد که از طریق یک طناب و از جایی که آویزان شده بودند، جفت شده بودند؛ در نتیجه، پاندول‌های آنها به طور همگام کار می‌کرد. این سیستم‌های کوانتومی هم درست به همان شیوه و از طریق برهمکنش با یکدیگر، همگام می‌شوند. این انتقال خود سازمان‌یافته به یک مشارکت همگام، کاملا با فیزیک کلاسیک، سازگار است.

همگامی کوانتومی و درهم تنیدگی

اگرچه همگامی کوانتومی با فیزیک کلاسیک سازگار است، اما به اندازه‌ی ٖٖآن ساده نیست، بازهم کوانتوم، مهر‌ه‌های عجیب خود را رو می‌کند! در مورد همگامی کوانتومی  یک حالت کوانتومی مشارکتی شکل می‌گیرد. این حالت کوانتومی، عدم قطعیت مکانیک کوانتومی را نشان می‌دهد: درهم تنیدگی کوانتومی. سیستم‌ های درهم‌تنیده‌ی کوانتومی را دیگر نمی‌توان به طور مستقل از یکدیگر، توصیف کرد. فرض کنید در مورد مثال ساعت‌ها، پاندول‌ها را نمی‌توانیم به‌طور جداگانه تشخیص دهیم، یعنی هر پاندول دارای اطلاعاتی روی پاندول دیگر است. پس پاندول‌ها مانند یک شی کوانتومی رفتار می‌کنند.
این پژوهش، پنجره‌ی تازه‌ای به روی مفهوم درهم تنیدگی کوانتومی باز می‌کند. سالهاست که سیستم‌های درهم تنیده در آزمایشگاه‌های بسیاری تولید می‌شوند. البته این نتایج فقط در حوزه‌های بنیادی مهم نیستند، بلکه در زمینه‌ی اطلاعات کوانتومی و به ویژه در کامپیوترهای کوانتومی نسل آینده نیز، بسیار مهم‌اند. از طرفی این مقاله نشان می‌دهد چگونه می‌توان همگامی کوانتومی را در آزمایشگاه تشخیص داد. پس باید منتظر باشیم و ببینیم نتایج این پژوهش چگونه باعث ایجاد خط‌های فکر‌ی جدید علمی خواهد شد…

مقاله اصلی را در زیر مشاهده کنید:

[gview file=”http://www.deeplook.ir/wp-content/uploads/2017/05/10.1038@ncomms14829.pdf” save=”1″]