در حجم صدای کم، یک میکروفن نوری کوانتومی عملکرد بهتری نسبت به نوع کلاسیک دارد، طوری که انسان‌ها قادر به شنیدن تفاوت بین عملکرد این دو وسیله هستند. جدا از این موضوع که انسان‌ها می‌توانند برتری تکنولوژی‌های کوانتومی را تشخیص دهند، استفاده از طرح‌های تداخل‌سنجی می‌تواند در کاربردهای گوناگونی شامل تصویربرداری زیستی که سلول‌ها نسبت به قرارگرفتن در معرض نور یا فوتون‌های با طول موج کوتاه حساس هستند، بسیار مفید باشد. با دیپ لوک همراه باشید…
ادوات کوانتومی معمولا با این شعار که عملکرد بهتری از مشابه‌های کلاسیک خود دارند، تبلیغ می‌شوند؛ اما تاثیر این موضوع می‌تواند بسیار بیشتر از کاربردهای آن‌ها در زندگی معمول باشد. پژوهشگران از میکروفن نوری کوانتومی رونمایی کردهاند که به گفته کسانی که به خروجی آن گوش سپرده‌اند، صوت واضح‌تری نسبت به نمونه کلاسیک آن تولید می‌کند. این میکروفن تحت شرایط خاصی (حجم صدای کم و نویز زیاد) مورد آزمایش قرار گرفته است. در حالتی که چنین شرایطی نداشته باشیم، مزیت و برتری کوانتومی به راحتی ظاهر نخواهد شد. با وجود چنین محدودیتی، روش‌های کوانتومی جدید توانستند مفید بودن خود را در جای دیگری نشان دهند. در واقع این روش‌ها سرانجام توانستند در بهبود عکس‌برداری از نمونه‌های زیستی به کار گرفته شوند.
تداخل‌سنجی
بسیاری از اندازه‌گیری‌های با دقت بالا، مانند ردیابی امواج گرانشی، بر پایه تداخل‌سنج‌هایی انجام می‌شود که اثرات تداخل را اندازه‌گیری می‌کنند. این اثرات تداخل می‌تواند شامل اثرات لبه‌ای باشد که در هنگام ارسال فوتون‌ها از دو مسیر ممکن خودشان را نشان می‌دهند. استفاده از زوج فوتون‌های در هم تنیده، نوسانات تصادفی (نویز ساچمه‌ای) را در چنین اندازه‌گیری‌هایی کاهش می‌دهد. این کاهش نوسانات، به نوبه خود می‌تواند حساسیت اندازه‌گیری‌ها را افزایش دهد. با این حال، برخی روش‌های معمول، شامل اندازه‌گیری هر دو فوتون موجود در یک زوج درهم‌تنیده است. در چنین حالتی فرآیند انتخاب آهسته، نرخ اندازه گیری را به یک هرتز (یک اندازه‌گیری بر ثانیه) محدود می‌کند. در صورتی که فوتون‌های درهم‌تنیده برای دنبال کردن عملکرد سریعی، مانند حرکت مولکول‌های منفرد درون یک سلول زیستی، به‌کار روند، چنین نرخی بسیار آهسته‌تر از نرخ لازم خواهد بود. فلوریان کایزر (Florian Kaiser) از دانشگاه اشتوتگارت آلمان و همکارانش، روشی را برای تقویت نرخ اندازه‌گیری در چنین تجربیات نوری-کوانتومی تا سرعت ده هزار بار در ثانیه ارائه کردهاند. در تجربه آزمایشگاهی آن‌ها، نور لیزر ورودی ابتدا از میان یک بلور غیرخطی عبور می‌کند. این بلور جریانی از جفت فوتون‌های درهم‌تنیده را بوجود می‌آورد که پس از آن به دو مسیر (یا بازوی) تداخل‌سنج مربوط به خود وارد می‌شوند. تیم کایزر برای اینکه مجبور نباشند هر دو فوتون خروجی‌های تداخل‌سنج را اندازه‌گیری کنند، یک بخش نوری که صفحه موج گزیننده طول موج نامیده می‌شود، به مجموعه اضافه کردند. این صفحه موج، قطبش نور عبوری از یکی از بازوهای تداخل‌سنج را می‌چرخاند. معلوم شده است که این تغییر ساده، اطلاعات دو فوتونی (در واقع فاز حالت کوانتومی جفت فوتون‌ها) را تنها در یکی از فوتون‌ها کد می‌کند.
بهبود نسبت سیگنال به نویز
به محض اینکه اطلاعات به یکی از فوتون‌ها منتقل شد، اندازه‌گیری تداخل ساده است. کافی است تفاضل شدت نور در دو خروجی اندازه گرفته شود. این همان روشی است که در روش تداخل‌سنجی کلاسیک داریم. تیم کایزر نشان دادند که در اندازه‌گیری‌های با سرعت نمونه برداری ۱۰۰ کیلوهرتز، به نسبت سیگنال‌به‌نویز بهبودیافته کوانتومی دست پیدا کردهاند. این فرکانس، برای تولید صدای با کیفیت بالا، به حد کافی بالاست که به پژوهشگران اجازه دهد کیفیت روش خود را در یک تجربه ضبط صدا نشان دهند. کایزر می‌گوید:
ما می‌خواستیم ببینیم که آیا انسان‌ها عملا می‌توانند بهبود کوانتومی را بشنوند یا نه.
تبدیل تداخل‌سنج به یک میکروفن نوری
پژوهشگران با استفاده از متصل کردن یکی از آینه‌ها به یک غشا، تداخل‌سنج را به یک میکروفن نوری تبدیل کردند. این غشا در واکنش به امواج صوتی ارتعاش می‌کند. همانطور که غشا به جلو و عقب حرکت می‌کند، طول یکی از بازوهای تداخل‌سنج را تغییر می‌دهد و باعث به وجود آمدن یک ارتعاش قابل مشاهده در نوری که به آشکارسازها می‌رسد، می‌شود. تیم کایزر، میکروفن را در یک آزمون شنوایی استاندارد به‌کار گرفتند. کلمات برگزیده‌ای با میکروفن ضبط شدند و برای مجموعه‌ای از افراد شنونده پخش شده و از آن‌ها خواسته شد تا این کلمات را تشخیص دهند. آزمون مشابهی نیز به‌وسیله یک میکروفن نوری «کلاسیک» انجام شد و در آن تداخل‌سنج مشابهی، اما این بار بدون هرگونه فوتون درهم‌تنیده، به‌کار گرفته شد. نتیجه، عملکرد اندکی بهتر در تشخیص موفق‌تر کلمات ضبط شده کوانتومی بود. کایزر سپس سریعا اعتراف می‌کند که در این آزمون، تقلبی صورت گرفته است. وی می‌گوید:
میکروفن ما در یک شرایط ساختگی و مصنوعی که ما در اینجا ایجاد کرده‌ایم، برتری کوانتومی خود را نشان می‌دهد.
شرایط مورد اشاره شامل کم کردن حجم صدا در خلال جلسات ضبط است؛ به طوری که نویز ساچمه‌ای اندازه‌گیری، نسبت به دیگر انواع نویز سهم بیشتری دارد. آقای کایزر در یک مقایسه جالب، سطح نویز را با مکالمات درهم و آشفته بین یک راننده ماشین مسابقه‌ای و خدمه چاله سرویس تشبیه می‌کند که در آن وضعیت، فقط در حدود نیمی از کلمات آنان درست شنیده می‌شود.
استفاده از میکروفن نوری کوانتومی برای تصویربرداری زیستی
اگرچه روش کوانتومی جدید، تحول بزرگی در ضبط صدا ایجاد نخواهد کرد، اما استفاده از آن در مورد انواع دیگر اندازه‌گیری، مانند تصویربرداری زیستی، مفید خواهد بود. کایزر شرح می‌دهد که اغلب سلول‌ها، تحت تابش شدید، رفتار غیر طبیعی خواهند داشت و یا اینکه ممکن است آسیب ببینند. بنابراین یک میکروسکوپ کوانتومی با استفاده از طرح درهم‌تنیدگی مورد نظر پژوهشگران، می‌تواند روش‌های تصویربرداری با وضوح بالا را بهبود ببخشد. در این میکروسکوپ‌ها، یک عملکرد مناسب با استفاده از فوتون‌های کمتر به دست می‌آید. لورنت لابونته (Laurent Labonté)، کارشناس نورشناسی کوانتومی از دانشگاه نیس سوفیا آنتیپولیس (Nice Sophia Antipolis) در فرانسه می‌گوید:
این کار جدید به‌عنوان نمایش ظریف و زیبایی از «مزیت کوانتومی» با استفاده از حالت‌های کوانتومی نور در زمینه توسعه حسگرهای عملی مطرح است که درون خود ویژگی درهم‌تنیدگی را نیز نشان می‌دهد.
بیل پلیک (Bill Plick) از دانشگاه اوهایو که مطالعاتی در مبانی مکانیک کوانتومی داشته است، می‌گوید:
این یک طراحی جدید و مبتکرانه از مفاهیم سنجه‌شناسی (علم اوزان و مقادیر) کوانتومی است. اگرچه فکر نمی‌کنم که این کار را بتوان یک «درک بنیادی کوانتومی» نامید، اما این پدیده راهی برای دست یافتن به اثرات کوانتومی ارائه می‌دهد و دیدن اینکه آن‌ها می‌توانند تاثیر قابل تشخیصی داشته باشند، واقعا جذاب است.
