اندازه گیری یکی از مفاهیمی است که برخلاف ماهیت ساده و واضحش در فیزیک کلاسیکی، دریایی از پیچیدگی ها و شگفتی ها در فیزیک کوانتومی را با خود به همراه می آورد. در مقاله ی زیر، خواهیم دید که دانشمندان چگونه با رویکرد تازه ای در مورد پرتونگاری مقطعی کوانتومی ، اندازه گیری حالت های کوانتومی را دقیق تر کرده اند. با دیپ لوک همراه باشید…
یک تیم تحقیقاتی از آزمایشگاه فوتونیک کوانتومی در دانشگاه RMIT و دانشگاه سیدنی، تکنیک جدیدی برای اندازه گیری حالت کوانتومی به روش پرتونگاری مقطعی کوانتومی ابداع کرده اند. این روش که پرتونگاری مقطعی کوانتومی خودراهنما نام دارد، درهای تازه ای را برای تعیین اندازه گیری حالت های کوانتومی باز کرده و از طرفی، نویز احتناب ناپذیر حاصل از اندازه گیری سیستم را بسیار کاهش می دهد. نتیجه ی این پژوهش مهم، دو روز پیش به عنوان مقاله ی پیشنهاد سردبیر در ژورنال Physical Review Letters منتشر شد.
پرتونگاری مقطعی کوانتومی چیست؟
احتمالا عبارت پرتونگاری مقطعی حالت کوانتومی (Quantum tomography) برای بسیاری از شما، گیج کننده و مبهم است، پس اجازه دهید به زبانی ساده، آن را توضیح دهم. فرض کنید کسی به شما یک ذره در یک حالت کوانتومی نامعلوم می دهد و از شما می خواهد تابع موج ψ(x) آن را اندازه گیری کنید. چگونه می توانید اینکار را انجام دهید؟ همانطور که بارها هم در دیپ لوک، اشاره کرده ایم، اندازه گیری در مکانیک کوانتومی به این سادگی ها نیست! در واقع با انجام یک اندازه گیری، مثلا اندازه گیری مکان ذره (x)، شما یک نتیجه ی قطعی بدست نمی آورید، بلکه یک احتمال برای مکان ذره بدست خواهید آورد، بنابراین شما با اطمینان ۱۰۰ درصد نمی توانید از مکان ذره صحبت کنید. از طرف دیگر، حین عمل اندازه گیری، حالت کوانتومی، تخریب شده یا به طور قابل توجهی تغییر خواهد کرد، نتیجه ی کلی آنکه، حتی اگر اندازه گیری خود را میلیون بار هم انجام دهید، هیچگاه نتیجه ی ۱۰۰ درصدی حاصل نشده و همیشه با عدم قطعیتی همراه خواهد بود.
بنابراین، برای استخراج اطلاعات در مورد حالت کوانتومی، باید کپی های زیادی از آن (یعنی مجموعه ای از ذرات با تابع موج یکسان) تهیه کنیم، اما حتی این هم کافی نیست. اندازه گیری این کپی ها، فقط دانسیته ی احتمال |ψ(x)|۲ را به ما خواهند داد، اما هیچ چیزی در مورد فاز تابع موج نخواهند گفت. (فاز تابع موج، یکی از بخش های مهمی است که برای تشخیص حالت کوانتومی به آن نیاز داریم). برای تعیین این فاز، باید اندازه گیری هایی در پایه های دیگر، انجام دهیم. مثلا می توانیم علاوه بر اندازه گیری مکان، دانسیته ی احتمال در پایه ی اندازه حرکت را نیز اندازه بگیریم و در اینصورت می توانیم اطلاعات بیشتری در مورد حالت کوانتومی بدست آوریم.
پرتونگاری مقطعی کوانتومی ، هنر تشخیص حالت کوانتومی با اندازه گیری چندین کپی از حالت مورد نظر و با اعمال تغییرات متعدد است. این تکنیک روی منبع سیستم ها اعمال می شود تا تعیین کند که خروجی منبع، چه حالت کوانتومی خواهد بود؟ برخلاف اندازه گیری های متداول کوانتومی که حالت سیستم را پس از اندازه گیری، نشان می دهند، (زیرا اندازه گیری کوانتومی، حالت کوانتومی سیستم را تغییر می دهد)، پرتونگاری مقطعی کوانتومی ، حالت یا حالت های قبل از اندازه گیری را مشخص می کند.
برای مطالعه بیشتر در مورد پرتونگاری مقطعی کوانتومی می توانید مقالات زیر را از برترین ژورنال ها مطالعه کنید:
مقاله ی ژورنال نیچر فیزیکس مقاله ی New Journal of Physics
پرتونگاری مقطعی کوانتومی خودراهنما
پرتونگاری مقطعی کوانتومی را می توان برای تشخیص سیگنال های نوری شامل اندازه گیری سیگنال بدست آمده و از دست رفته ی دستگاه های نوری در محاسبات کوانتومی یا نظریه ی اطلاعات کوانتومی برای تعیین حدود اطمینان حالت های واقعی کیوبیت ها، استفاده کرد. تعیین مشخصات کامل حالت های کوانتومی، برای آینده ی محاسبه ی کوانتومی، یک ضرورت به حساب می آید، اما تکنیک های استاندارد و متداول برای اندازه گیری بیت کوانتومی در کامپیوترهای کوانتومی، کافی نیستند. روش تازه ی دانشمندان موسوم به پرتونگاری مقطعی کوانتومی خودراهنما به حل این مشکل، کمک خواهد کرد.
محققان این پروژه می گویند: ” این گام بزرگ و رو به جلویی در حوزه ی پرتونگاری مقطعی کوانتومی است. تکنیک ما می تواند برای تمام معماری های محاسباتی کوانتومی در آزمایشگاه های سرتاسر جهان، استفاده شود.”
مشخص کردن حالت های کوانتومی یا اندازه گیری دقیق حالت، یک گلوگاه جدی در علم اطلاعات کوانتومی است. پرتونگاری مقطعی کوانتومی خودراهنما از یک الگوریتم جستجوی مکرر برای تشخیص حالت کوانتومی، استفاده می کند. این تکنیک، منابع مورد استفاده را به طور قابل توجهی کاهش می دهد، زیرا در این تکنیک، نیازی نیست که هر داده ای، به طور جداگانه ذخیره یا پس پردازش شود.
این تیم مدعی هستند که قادرند حالت های کوانتومی رمزگذاری شده در تک فوتون ها را تعیین کنند. فوتون ها، یکی از نامزدهای اصلی آینده ی محاسبات کوانتومی هستند. به هر حال، این روش را می توان به سایر معماری های محاسبات کوانتومی، مانند یون های به دام افتاده و کیوبیت های ابررسانا هم اعمال کرد.
در هر آزمایشی، نویزهای اندازه گیری باعث کاهش کیفیت نتایج بدست آمده می شوند، اما دانشمندان در این تکنیک، میزان نویز را تا حد قابل توجهی، کاهش داده اند. پرتونگاری مقطعی خودراهنما در مقایسه با پرتونگاری استاندارد، نویز بسیار کمتری دارد. دانشمندان این پروژه، امیدوارند تکنیک آنها به عنوان ابزاری برای تعیین و تشخیص حالت های کوانتومی و کمک به تکنولوژی های کوانتومی آینده استفاده شود.
گفتگو۲ دیدگاه
بسیار عالی ؛ ممنون از زحمات شما
خواهش میکنم دوست عزیز