در قسمت نخست با فیلیپ بال همراه شدیم و دیدیم که ابعاد ماده در برهم نهی چه تاثیری دارد. در دنیای کوانتوم، برهم نهی درحال گسترش، شرایط را بسیار سخت‌تر می‌کند. بعلاوه واهمدوسی، اصلی‌ترین مانع برای ایجاد برهم نهی کوانتومی در اجسام بزرگ است، پس لازم است برهمکنش‌های ذره با محیط به حداقل برسد؛ اما همچنان چند پرسش اساسی وجود دارد. آیا محدودیتی برای وسعت دنیای کوانتوم وجود ندارد؟ در تقابل نظریه کوانتوم با نسبیت عام، کدام یک برنده می‌شود؟ در قسمت دوم و آخر با دیپ لوک همراه باشید…
در قسمت پیش گفتیم مارکوس آرنت در سال ۲۰۲۰ الگوهای تداخلی را در یک مولکول زیستی، که یک یک پپتید طبیعی بود، ایجاد کرد. اکنون او و گروهش، جانور کوچک فوق العاده قوی به نام تاردیگراد (tardigrades)، معروف به خرس آبی یا خوکچه خزه‌ای، را انتخاب کردند. عرض تاردیگراد در حدود ۱ میلی‌متر است و مشخص شده است که می‌تواند چندین روز در بیرون آب زنده بماند. محققان معتقدند که این آزمایش به آن‌ها اجازه می‌دهد تا حالات برهم نهی کوانتومی را با همان شرایط گربه شرودینگر ایجاد کنند. در واقع آزمایش فکری معروف گربه شرودینگر، قصد داشت پوچی ظاهری برهم نهی‌های کوانتومی را برای موجودات بزرگ و به خصوص زنده آشکار کند. چشم‌انداز تبدیل گربه شرودینگر به واقعیت یکی از اصلی ترین دلایل انجام پروژه Q-Xtreme است. این همکاری بین گروه‌های؛ مارکوس آسپلمایر (Markus Aspelmeyer) از دانشگاه وین، لوکاس نووتنی (Lukas Novotny) و رومن کوئیدانت (Romain Quidant) در موسسه فدرال سوییس واقع در زوریخ و رومرو ایزارت (Romero – Isart) صورت گرفته است.
در سال ۲۰۱۹ این سه گروه، در دو مطالعه مستقل، گزارش دادند که می‌توانند نانوذرات سیلیس را که در حدود ۱۰۰ تا ۱۵۰ نانومتر بوده و شامل حدود ۱۰۰ میلیون اتم است را در کمترین حالت کوانتومی انرژی، حالت پایه، قرار داده و در یک تله نوری متشکل از یک پرتو لیزر، نگه داشته و خنک کنند. سپس سال گذشته تیم آسپلمایر (aspelmeyer) گزارش داد که آن‌ها توانسته‌اند این ذرات را به طور کامل به حالت پایه ببرند، در این حالت ارتعاشات شبکه بلوری اتم‌ها به حداقل می‌رسد. در دمای صفر مطلق، ذره کاملا در حالت پایه قرار خواهد داشت و تنها حرکت باقی‌مانده، حرکت نقطه صفر اتم‌ها خواهد بود. در آزمایش آسپلمایر، این ذره به طور متوسط در ۷۰ درصد مواقع در حالت پایه بود. اکنون در آخرین آزمایشات، آسپلمایر و نووتنی (Novotny) موفق شده‌اند از تله نوری، که بر رفتار کوانتومی ذرات آزاد تاثیر می گذارد، خلاص شوند تا بتوانند ذرات را در حالت طبیعی و نه در اسارت مشاهده کنند. محققان از نور لیزر برای اندازه‌گیری مداوم موقعیت ذره استفاده می‌کنند، سپس از یک میدان الکتریکی برای هدایت ذره استفاده می‌نمایند، البته نه با به دام انداختن، بلکه با تطبیق ملایم، تا ذره در محل تعیین شده خود باقی بماند. این رویکرد بازخورد فعال، تحرک حرارتی ذرات را سرکوب کرده و آن‌ها را تا دمای بسیار پایین سرد می‌کند. گروه آسپلمایر می‌گویند که گستردگی موقعیت ذرات آن‌ها، تنها ۱.۳ برابر حرکت نقطه صفر است که معادل دمای چند میلیونیم کلوین بالای صفر مطلق است. نووتنی و همکارانش سیستم خنک‌کننده قابل قیاسی را با یک چیدمان مشابه بدست آوردند.
گام بعدی ایجاد یک برهم نهی است. برای انجام این کار، محققان باید سه نکته کلیدی در محیط را کنترل کنند. اول، آن‌ها باید هرگونه سیگنال ناخواسته( نویز) را در پتانسیل بازخورد فعال حذف کنند. سپس آن‌ها باید از خلا بسیار بالا، حدود ۱۱- ۱۰ میلی بار فشار، استفاده کنند تا تقریبا هیچ چیزی برای برخورد با ذره وجود نداشته باشد. در نهایت آن‌ها باید ذرات را از تابش هرگونه فوتون که از هر جسم داغی ساطع می‌شود، بازدارند. اگرچه این ذره در جای خود ثابت نگه داشته می‌شود، انگار که ذره فوق سرد است، اما به اندازه کافی فوتون‌های اطرافش را جذب می‌کند تا در دمای داخلی ۱۰۰۰ درجه کلوین یا بیشتر باشد، که موجب می‌شود مثل یک سیخ داغ تابش کند. رومرو ایسارت می‌گوید:
سرکوب واهمدوسی ناشی از آن تابش، سخت خواهد بود.
این موضوع نیاز به بازداشتن ذره از تابش، که مسئله‌ای ظریف و در عین حال بحرانی است، را بیان می کند. برهم نهی کوانتومی از بین نمی‌رود، زیرا اختلال در محیط ایجاد می‌شود و تعادل را از بین می‌برد. در عوض، هنگامی که اطلاعات مربوط به موقعیت جسم به محیطی نفوذ می‌کند که می‌توان آن را اندازه‌گیری کرد، از بین می‌رود. همانطور که تداخل در آزمایش کوانتومی دو شکاف با اندازه‌گیری مسیر ذرات از بین می‌رود. در اصل اگر یک مولکول گاز از آن پرتاب شود، می‌توانید با نگاهی به مسیر مولکول بفهمید که این ذره کجاست. یا اگر فوتون‌هایی از خود ساطع کند، می‌توانید ببینید کجاست. همانطور که می‌توانید درب ورودی را شب هنگام از نور ایوان خود پیدا کنید. با این حال، در مورد درب ورودی شما، نور فقط مکان آن را نشان می‌دهد؛ در حالی که برای اجسام کوانتومی، نور تابش شده، آن را ایجاد می‌کند. این حساسیت برهم نهی نسبت به برهمکنش با محیط، آزمایش را سخت می‌کند، اما در عین حال می‌تواند مفید هم باشد. به عنوان مثال می‌توان از چنین سیستمی برای مطالعه چگونگی از دست دادن خاصیت کوانتومی بودن اجسام کوانتومی، از طریق واهمدوسی و ثابت ماندن کلاسیکی آن‌ها در یک مکان استفاده کرد. رومرو ایسارت می گوید:
برهم نهی‌های بزرگ، بسیار شکننده و حساس به واهمدوسی هستند، اما واهمدوسی چیزی است که ما به طور کامل آن را درک نمی‌کنیم. بنابراین آزمایش‌ها تنها می‌توانند نظریات نحوه رخ دادن آن را آزمایش کنند.
مدل‌های فروپاشی، شکست مکانیک کوانتومی استاندارد را در صورت داشتن جرم‌های بزرگ و برهم‌نهی‌های بزرگ پیش‌بینی می‌کند. مکانیک کوانتومی در آن فضا آزمایش نشده است.
اما راجر پنروز (Roger Penrose) ریاضی-فیزیکدان بریتانیایی پیشنهاد کرده است که در مقیاس‌های متوسط، وقتی نظریه کوانتوم با نسبیت عام برخورد می‌کند، دومی برنده می‌شود و اثرات کوانتومی را از بین می‌برد. در نسبیت عام، هر جسمی که دارای میدان گرانشی قابل توجهی باشد، فضازمان را منحرف می‌کند. اما یک جسم که دچار برهم نهی در مکان می‌شود، دو فضازمان برهم نهی شده ایجاد می‌کند که نسبیت عام اجازه آن را نمی‌دهد. بنابراین پنروز معتقد است که گرانش می‌تواند ما را مجبور به انتخاب یک گزینه، بین پیشنهادات متفاوت کند. آسپلمایر فکر می‌کند که Q-Xtreme سرانجام باید بتواند نظریه‌هایی مانند این را به آزمایش بگذارد. وی می‌گوید:
در مقیاس آزمایش برنامه‌ریزی‌شده ما، تمامی مدل‌های فروپاشی موجود، یا منتفی می‌شوند و یا محدود به قلمروهای پارامتری می‌شوند که آن‌ها را بی‌معنا می‌کند.
برهم‌نهی توده‌هایی که به اندازه کافی بزرگ هستند تا گرانش به کار گرفته شود، می‌تواند جنبه‌های کوانتومی گرانش را بررسی کند. یک ایده برای انجام این کار، استفاده از برهمکنش گرانشی برای درگیرشدن توده‌هاست. در سال ۲۰۱۷ ، فیزیکدانان سوگاتو بوز (Sougato Bose) از دانشگاه کالج لندن و ولاتکو ودرال (Vlatko Vedral) و کیارا مارلتو (Chiara Marletto) از دانشگاه آکسفورد به طور مستقل آزمایش‌هایی را پیشنهاد کردند که ممکن است دقیقا این کار را انجام دهد. رومرو ایسارت می‌گوید:
چنین آزمایش‌هایی، فوق‌العاده هیجان‌انگیز، اما بسیار سخت هستند.
اگرچه ودرال فکر می‌کند که می‌توان آن را در ۱۰ سال آینده عملی کرد؛ هیچ‌کس کاملا نمی‌داند منتظر چه پدیده‌ای هستیم. افریم اشتاینبرگ (Aephraim Steinberg)، فیزیکدان کوانتومی در دانشگاه تورنتو می‌گوید:
زمانیکه ما می‌توانیم وضعیتی را بررسی کنیم و در آن نظریه کوانتوم پیشنهاد می‌کند که خود فضازمان باید برهم‌نهی‌ای از دو حالت قابل اندازه‌گیری باشد، تمامی شرط‌ها از بین می‌رود و آنگاه چیزی جز خود آزمایش ما راهنمایی نمی‌کند. منطقی است که ذهن خود را بی‌طرف نگه داشته و بدون هرگونه پیش‌داوری، به احتمال زیاد، چیز جدیدی کشف کنیم.
ودرال انتظار دارد که بتوان گرانش را، حداقل زمانی که فوق‌العاده قوی نباشد، با استفاده از نظریه میدان کوانتومی استاندارد، درست مانند سایر نیروهای شناخته‌شده، توصیف کرد. اما او اقرار می‌کند که بطور مخفیانه امیدوار است شکست بخورد، زیرا به عنوان یک نظریه‌پرداز، شما دوست دارید اتفاق خارق‌العاده‌ای رخ دهد.
بوز گفت، تلاش برای برهم نهی‌های کوانتومی بزرگ، یک موقعیت برد-برد محسوب می‌شود. اگر متوجه شویم که فروپاشی فیزیکی آن‌ها را ممنوع می‌کند، این یک کشف بزرگ در مورد ماهیت اساسی مکانیک کوانتوم خواهد بود. اما اگر همانطور که بسیاری گمان می‌کنند، فروپاشی فیزیکی رخ ندهد و جهان کوانتومی همچنان بزرگتر شود، برهم نهی‌های بزرگ، با حساسیت شدید خود نسبت به منابع واهمدوسی می‌توانند به عنوان حسگرهای بسیار حساس عمل کنند. به عنوان مثال، فیزیکدانان جس ریدل (Jess Riedel) و ایتای یاوین (Itay Yavin) در کانادا پیشنهاد کرده‌اند که سیستم‌های کوانتومی حساس به اثرات گرانشی می‌توانند راهی برای جستجوی ذرات ماده تاریک، که به نظر می‌رسد تنها از طریق گرانش با ماده معمولی در تعامل هستند، ارائه دهند. در همین حال، بوز علاقه‌مند است از چنین سیستم‌هایی به عنوان آشکارسازهای امواج گرانشی به عنوان جایگزین استفاده کند، که تاکنون تنها با کمک آشکارسازهای بزرگ به اندازه چندین کیلومتر دیده شده‌اند. آرندت می‌گوید:
به عبارت دیگر، این یعنی گسترش مقیاس کوانتومی تا اندازه‌هایی که گرانش ممکن است چیزهای جدیدی در مورد مکانیک کوانتومی، گرانش و جنبه‌های پنهان جهان به ما بیاموزد. این پروژه، مرزهای قابلیت‌های فناوری را به جلو هل می‌دهد، اما بازدهی آن می‌تواند بسیار زیاد باشد. افزایش مجدد علاقه در ایجاد پدیده‌های کوانتومی مانند برهم نهی و درهم تنیدگی در مقیاس بزرگ اتفاقی نیست، چرا که اگر بخواهیم کامپیوترهای کوانتومی را به گونه‌ای افزایش دهیم که هزاران یا حتی میلیون‌ها بیت کوانتومی درهم‌تنیده داشته باشند، به این دو پدیده نیاز داریم. حوزه فناوری‌های کوانتومی در سال‌های آتی، ده‌ها میلیارد دلار سرمایه‌گذاری را دریافت خواهد کرد و ما بهتر می‌توانیم مبانی نظریه نهفته در همه این امیدهای تکنولوژیکی را درک کنیم.
