داروینیسم کوانتومی انتخاب می‌کند کدام احتمال به واقعیت بپیوندد! (قسمت دوم)

در قسمت اول این مقاله، با روش‌های جذاب و نوین گذار از مکانیک کوانتومی به واقعیت‌های کلاسیکی و به کارگیری ایده‌ی جذاب داروینیسم کوانتومی برای پر کردن شکاف میان این دو جهان آشنا شدیم. در این قسمت، در مورد چگونگی جمع‌آوری اطلاعات از محیط و پدیده‌ی شگفت اشباع شدن اطلاعات صحبت خواهیم کرد. با دیپ لوک همراه باشید…

سیل اطلاعات

مهم نیست اطلاعات حاصل از برهمکنش محیط با یک سیستم کوانتومی، توسط یک ناظر انسانی خوانده شود؛ بلکه برای ظهور رفتارهای کلاسیکی، فقط خواندن اطلاعات، مهم است. جس ریدل (Jess Riedel)، فیزیکدان موسسه‌ی پریمتر (Perimeter Institute for Theoretical Physics) در واترلوی کانادا و طرفدار داروینیسم کوانتومی می‌گوید:

خود سیستم را نباید به شکل مستقل مورد مطالعه قرار داد. داروینیسم کوانتومی می‌تواند همه‌ی ویژگی‌های کلاسیکی بودن (مانند اشیای ماکروسکوپی زندگی روزمره‌ که در آزمایشگاه وجود ندارند) را توضیح دهد یا حداقل به توضیح آن‌ها کمک کند.

حدود یک دهه‌ی پیش، ریدل به عنوان دانشجوی دوره‌ی ارشد با دکتر زورک مشغول به کار بود. آن دو، به لحاظ نظری نشان دادند اطلاعات برخی سیستم‌های کوانتومی ساده و ایده‌آل، به طور موقت، در محیط کپی می‌شوند، به گونه‌ای که برای استنتاج مقدار متغیرها،دسترسی فقط به بخش کوچکی از محیط لازم است.

آن‌ها محاسبه کردند که یک دانه‌ی غبار یک میکرومتری، پس از قرار گرفتن در برابر تابش نور خورشید تنها برای یک میکرو‌ثانیه، محل قرارگیری خود را در حدود ۱۰۰ میلیون بار در فوتون‌های پراکنده، نشانه‌گذاری خواهد کرد. به دلیل همین خاصیت افزونگی است که ویژگی‌های عینی و کلاسیک‌گون وجود دارند. هر یک از ده مشاهده‌کننده می‌توانند موقعیت یک دانه‌ی غبار را اندازه بگیرند و همگی محل یکسانی را بدست آورند، زیرا هرکدام می‌توانند به نسخه‌ی متمایزی از اطلاعات دسترسی پیدا کنند. در این دیدگاه، ما می‌توانیم یک «موقعیت» عینی را به نقطه‌ای اختصاص دهیم، نه به این دلیل که حتما «چنین موقعیتی دارد»، بلکه به این دلیل که موقعیت آن می‌تواند به عنوان نسخه‌های مشابه و متعدد در محیط ثبت شود، به گونه‌ای که ناظران مختلف، بر وجود آن موقعیت، هم‌نظر باشند. از این رو، شما برای کسب اطلاعات بیشتر مجبور به رصد بخش بزرگی از محیط نیستید. در واقع با رصد بیش از یک مقدار مشخص، اطلاعات دریافتی شما افزایش نمی‌یابد. ریدل می‌گوید:

اطلاعاتی که می‌توان درباره سیستم جمع‌آوری کرد، به سرعت اشباع می‌شوند.

این افزونگی، ویژگی متمایز داروینیسم کوانتومی است. ماورو پاترنوسترو (Mauro Paternostro)، فیزیکدان دانشگاه کویینز بلفاست که در یکی از سه آزمایش جدید شرکت داشت، توضیح داد:

این خاصیتی است که گذار به سمت کلاسیکی بودن را مشخص می‌کند.

طبق گفته‌ی فیزیکدان نظری، آدن کابلو (Adán Cabello) از دانشگاه سویل در اسپانیا، داروینیسم کوانتومی افسانه‌ی رایج درباره مکانیک کوانتومی را به چالش می‌کشد، یعنی گذار بین جهان‌های کوانتومی و کلاسیک درک نمی‌شود و نتایج اندازه‌گیری را نمی‌توان با نظریه‌ی کوانتومی توصیف کرد.

موضوع همچنان بحث‌برانگیز باقی می‌ماند. برخی محققان بر این باورند که ناهمدوسی کوانتومی و داروینیسم کوانتومی توصیف کاملی از گذار کوانتومی‌‌-‌کلاسیکی را فراهم می‌کنند. با این حال، اگرچه این ایده‌ها تلاش می‌کنند توضیح دهند دلیل ناپدیدشدن برهم‌ نهی در مقیاس‌های بزرگ چیست و چرا فقط خصوصیات بصری «کلاسیکی» باقی می‌مانند، هنوز این سوال وجود دارد که چرا اندازه‌گیری‌ها، نتایج منحصر به فردی ارائه می‌دهند. وقتی یک مکان خاص مربوط به یک ذره انتخاب می‌شود، برای سایر احتمالات ذاتی ذره در توصیف کوانتومی آن چه اتفاقی می‌افتد؟ آیا آن‌ها از هر لحاظ واقعی بودند؟ به همین دلیل محققان مجبورند تفسیرهای فلسفی مکانیک کوانتومی را اتخاذ کنند، زیرا هیچ‌کس نمی‌تواند راهی برای پاسخگویی به این سوال به طور تجربی پیدا کند.

در آزمایشگاه

داروینیسم کوانتومی روی کاغذ کاملا قانع‌کننده به نظر می‌رسد. این روند تا همین اواخر ادامه داشت. در یک سال گذشته‌، سه تیم از محققان به طور مستقل با جستجوی ویژگی اصلی داروینیسم کوانتومی، این نظریه را در بوته‌ی آزمایش قرار دادند: چگونه یک سیستم کوانتومی، کپی‌هایی از خود را در محیط ثبت می‌کند؟

این آزمایش‌ها، به توانایی نظارت دقیق بر اطلاعات انتقالی از سیستم کوانتومی به محیطش بستگی داشت. این موضوع برای یک غبار شناور در میان میلیاردها مولکول هوا، امکان‌پذیر نیست. بنابراین دو تیم از گروه‌های شرکت کننده در این آزمایش‌ها، یک شی کوانتومی را در یک نوع «محیط مصنوعی» که تنها تعداد کمی از ذرات شناور هستند، قرار دادند. هر دو آزمایش، یکی توسط پاترنوسترو و همکارانش در دانشگاه ساپینزا (Sapienza University) در رم و دیگری توسط متخصص اطلاعات کوانتومی، ایان وی پان (Jian-Wei Pan) و همکارانش در دانشگاه علم و فناوری چین، از یک تک فوتون به عنوان سیستم کوانتومی و تعداد انگشت‌شماری فوتون‌های دیگر استفاده کردند. آن‌ها فوتون‌ها را به عنوان یک «محیط» در نظر گرفتند که با فوتون مورد نظر برهمکنش کرده‌ و اطلاعات مربوط به آن را منتشر می‌کنند.

هر دو گروه، فوتون‌های لیزری را از میان ابزارهایی اپتیکی عبور دادند که می‌توانستند آن‌ها را در گروه‌های چندگانه‌ی درهم تنیده ترکیب کنند. سپس فوتون‌های محیطی را کاوش کردند تا ببینند آن‌ها چه اطلاعاتی را در مورد حالت نشانگر فوتون سیستم، رمزگذاری کرده‌اند. در این حالت، قطبش (جهت‌گیری میدان‌های الکترومغناطیسی نوسان کننده) آن فوتون، یکی از خصوصیات کوانتومی است که می‌تواند از فیلتر انتخاب داروینی کوانتومی عبور کند.

پیش‌بینی کلیدی QD، اثر اشباع است: اگر فقط تعداد معدودی از ذرات اطراف را رصد کنید، تقریبا تمام اطلاعاتی که می‌توانید در مورد سیستم کوانتومی جمع آوری کنید را خواهید یافت. پان گفت:

کسر کوچکی از محیط برهمکنشی برای ارائه‌ی حداکثر اطلاعات کلاسیکی در مورد سیستم مورد مشاهده، کافی است.

هر دو گروه به طور دقیق به این نتیجه دست یافتند. اندازه‌گیری تنها یکی از فوتون‌های محیطی، اطلاعات زیادی در مورد قطبش فوتون سیستم نشان داد و اندازه‌گیری بخش عمده‌ای از فوتون‌های محیطی، باعث کاهش بازده شد. پان توضیح داد: اگر محیط بتواند به قدر کافی با سیستم تک فوتونی، قدرتمند برهمکنش کند، حتی یک فوتون منفرد نیز می‌تواند به عنوان محیطی عمل کند که ناهمدوسی و انتخاب (انتخاب اصلح) را نشان دهد. هنگامی که برهمکنش ضعیف‌تر است، باید یک محیط بزرگتر مورد بررسی قرار گیرد.

سومین آزمون آزمایشگاهی “QD”، به سرپرستی فیزیکدان کوانتومی نوری، فدور ژلزکو (Fedor Jelezko) در دانشگاه اولم در آلمان با همکاری زورک و دیگران، از یک تک اتم نیتروژن که جایگزین یک اتم کربن در شبکه‌ی بلوری الماس (که نقص خلاء نیتروژن یا nitrogen-vacancy defect گفته می‌شود) شده بود، به عنوان یک سیستم و محیط بسیار متفاوت استفاده کرد. از آنجا که اتم نیتروژن دارای یک الکترون بیشتر از اتم کربن است، این الکترون اضافی نمی‌تواند با اتم‌های کربن مجاور، جفت شده و پیوند شیمیایی تشکیل دهد. در نتیجه، اتم نیتروژن دارای الکترون جفت نشده، به عنوان یک «اسپین» منفرد عمل می‌کند. مانند یک فلش که سمت بالا یا پایین را نشان می‌دهد، یا به طور کلی، در یک برهم‌ نهی از هر دو احتمال بالا و پایین است.

این اسپین می‌تواند با تقریباً  ۰.۳٪  از هسته‌های کربن موجود در الماس به عنوان ایزوتوپ کربن ۱۳، برهمکنش مغناطیسی کند. به طور متوسط، هر اسپین «خلا نیتروژن» ،با اسپین چهار کربن-۱۳ در فاصله حدود ۱ نانومتر، به شدت جفت می‌شود.

محققان با کنترل و نظارت بر اسپین‌ها با استفاده از لیزرها و پالس‌های فرکانس رادیویی، می‌توانند چگونگی تغییرات اسپین نیتروژن با تغییرات اسپین هسته‌ای محیط را ثبت کنند. آن‌ها فراوانی مشخصه را نیز مشاهده کردند که توسط داروینیسم کوانتومی پیش‌بینی شده بود: حالت یک اسپین نیتروژن به صورت نسخه‌های چندگانه در محیط اطراف «ضبط شده» است و اطلاعات مربوط به اسپین با سرعت بیشتری نسبت به محیط مورد نظر، اشباع می‌شود. زورک می‌گوید:

از آنجایی که آزمایش‌های فوتون‌، کپی‌هایی را به روشی مصنوعی و به منظور شبیه‌سازی یک محیط واقعی ایجاد می‌کنند، در یک فرایند انتخابی که حالت‌های نشانگر «طبیعی» مقاوم در برابر ناهمدوسی را برمی‌دارد، شرکت نمی‌کنند. بلکه خود محققان حالت‌های نشانگر را اعمال می‌کنند. در مقابل، محیط الماس، حالت‌های نشانگر را استخراج می‌کند. طرح الماس به دلیل اندازه بزرگ محیط، مشکلات زیادی دارد، اما حداقل، طبیعی است.

تعمیم داروینیسم کوانتومی

تا اینجا خوش به حال داروینیسم کوانتومی! زورک می‌گوید:

همه‌ی این مطالعات، هر آنچه را انتظار داریم، در بردارد. دست کم به طور تقریبی!

ریدل می گوید ما به سختی می‌توانیم انتظار دیگری داشته باشیم، هرچند از نظر وی، QD فقط کاربرد دقیق و منظم مکانیک کوانتومی استاندارد در برهمکنش یک سیستم کوانتومی با محیط آن است. اگرچه انجام این کار در اکثر اندازه‌گیری‌های کوانتومی تقریبا غیرممکن است، اما اگر اندازه‌گیری را به اندازه کافی ساده انجام دهید، پیش‌بینی‌ها روشن‌تر می‌شوند. وی ادامه داد:

QD بیشتر مانند یک بررسی خودسازگاری داخلی در نظریه‌ی کوانتومی است.

اگرچه به نظر، این مطالعات با داروینیسم کوانتومی سازگارند، اما نمی‌توان آنها را به عنوان مدرک یگانه توصیف ظهور کلاسیکی یا حتی به طور کامل صحیح بودن QD عنوان کرد. کابلو می‌گوید این سه آزمایش فقط نسخه‌های نمادینی از آنچه یک محیط واقعی از آن تشکیل شده را ارائه می‌دهند. از این گذشته، آزمایش‌ها روش‌های دیگر را برای مشاهده ظهور کلاسیک رد نمی‌کنند. برای مثال، نظریه‌ای به نام اشاعه‌ طیف (spectrum broadcasting)، که توسط پاول هورودکی (Pawel Horodecki) و همکارانش در دانشگاه صنعتی گدانسک در لهستان گسترش یافته، سعی دارد ایده‌ی داروینیسم کوانتومی را تعمیم دهد. نظریه‌ی اشاعه طیف (که فقط برای چند مورد ایده آل مورد استفاده قرار گرفته است) حالت‌های یک سیستم درهم‌ تنیده و محیط کوانتومی آن را مشخص می‌کند. این روند باعث ارائه‌ی اطلاعاتی عینی می‌شود که بسیاری از ناظران می‌توانند بدون پراکندگی آن را بدست آورند. به عبارت دیگر، هدف این است که نه تنها ناظران مختلف بتوانند به نسخه‌های سیستم موجود در محیط دسترسی پیدا کنند، بلکه با انجام این کار، تغییری در سایر نسخه‌ها ایجاد نکنند. این نیز یک ویژگی از اندازه‌گیری‌های واقعا «کلاسیک» است. ریدل گفت:

 با این حال، محققان به تلاش‌ها ادامه می‌دهند، همین تلاش باید توانایی ما را برای بررسی عملکرد حوزه کوانتومی بهبود ببخشد. احتمالا، بهترین توجیه برای انجام این آزمایش‌ها، این است که این آزمایش‌ها تمرین خوبی هستند. ممکن است بیان مستقیم داروینیسم کوانتومی نیاز به اندازه‌گیری‌های بسیار دشواری داشته باشد که مرزهای روش‌های آزمایشگاهی موجود را به چالش بکشد.

به نظر می‌رسد تنها راهی که می‌توان فهمید واقعیت اندازه‌گیری چیست، بهبود انجام اندازه‌گیری‌ها است.