ارتباط شگفت‌انگیز نظریه کوانتوم و اطلاعات

تحقیقات جدید در ارتباط با مکانیک کوانتومی و نظریه اطلاعات

با کمک یک آزمایش جدید، محققان دانشگاه لینک‌پینگ و دیگر مراکز موفق به تأیید یک مطالعه نظری ده ساله شده‌اند که یکی از بنیادی‌ترین جنبه‌های مکانیک کوانتومی، یعنی اصل مکملی، را با نظریه اطلاعات مرتبط می‌کند. این مطالعه در نشریه Science Advances منتشر شده و بخشی از معمای درک ارتباطات کوانتومی، متراژی و رمزنگاری آینده را فراهم می‌آورد. “نتایج ما در حال حاضر کاربرد واضح یا مستقیمی ندارند. این یک تحقیق بنیادی است که پایه‌گذار فناوری‌های آینده در زمینه اطلاعات کوانتومی و کامپیوترهای کوانتومی است. پتانسیل عظیمی برای کشفیات کاملاً جدید در بسیاری از زمینه‌های تحقیقاتی وجود دارد”، می‌گوید گیلرمه بی. زاویر، محقق ارتباطات کوانتومی در دانشگاه لینک‌پینگ، سوئد.

درک اصول اولیه

اما برای درک آنچه محققان نشان داده‌اند، باید از ابتدا شروع کنیم. اینکه نور می‌تواند هم ذره و هم موج باشد، یکی از غیرمنطقی‌ترین، اما در عین حال بنیادی‌ترین ویژگی‌های مکانیک کوانتومی است. این پدیده دوگانگی موج-ذره نامیده می‌شود. این نظریه به قرن هفدهم برمی‌گردد، زمانی که ایزاک نیوتن پیشنهاد کرد که نور از ذرات تشکیل شده است. دیگر دانشمندان معاصر بر این باور بودند که نور شامل امواج است. نیوتن در نهایت پیشنهاد کرد که ممکن است نور هم ذره باشد و هم موج، بدون اینکه بتواند این ادعا را اثبات کند.

در قرن نوزدهم، چندین فیزیک‌دان در آزمایش‌های مختلف نشان دادند که نور در واقع شامل امواج است. اما در اوایل قرن بیستم، هم مکس پلانک و هم آلبرت اینشتین نظریه‌ای را که نور فقط امواج است به چالش کشیدند. با این حال، تا دهه 1920، فیزیک‌دان آرتور کامپتون توانست نشان دهد که نور همچنین دارای انرژی جنبشی است، که ویژگی‌ای کلاسیک از ذرات به شمار می‌رود. این ذرات فوتون نامیده شدند. بنابراین، نتیجه‌گیری شد که نور می‌تواند هم ذره و هم موج باشد، دقیقاً همان‌طور که نیوتن پیشنهاد کرده بود.

دوگانگی موج-ذره در ذرات بنیادی

الکترون‌ها و دیگر ذرات بنیادی نیز این دوگانگی موج-ذره را نشان می‌دهند. اما امکان اندازه‌گیری یک فوتون به‌صورت هم‌زمان به عنوان موج و ذره وجود ندارد. بسته به اینکه اندازه‌گیری فوتون چگونه انجام شود، یا امواج یا ذرات قابل مشاهده خواهند بود. این پدیده به عنوان اصل مکملی شناخته می‌شود و توسط نیلز بور در اواسط دهه 1920 توسعه یافت. این اصل بیان می‌کند که مهم نیست چه چیزی برای اندازه‌گیری انتخاب شود، ترکیب ویژگی‌های موج و ذره باید ثابت باشد.

تأیید نظریه عدم قطعیت انتروپی در یک آزمایش جدید

در سال ۲۰۱۴، یک تیم تحقیقاتی از سنگاپور به‌طور ریاضی ارتباط مستقیمی بین اصل مکملی و میزان اطلاعات ناشناخته در یک سیستم کوانتومی، که به آن عدم قطعیت انتروپی گفته می‌شود، نشان داد. این ارتباط به این معناست که هر ترکیبی از ویژگی‌های موج یا ذره‌ای یک سیستم کوانتومی که مورد بررسی قرار گیرد، حداقل یک بیت اطلاعات ناشناخته وجود دارد، یعنی موج یا ذره‌ای که قابل اندازه‌گیری نیست. پژوهشگران دانشگاه لینک‌پینگ به همراه همکاران خود از لهستان و شیلی اکنون موفق شده‌اند نظریه محققان سنگاپوری را با کمک نوع جدیدی از آزمایش تأیید کنند.

گویلرمه بی. زاویر می‌گوید: “از دیدگاه ما، این یک روش بسیار مستقیم برای نشان دادن رفتارهای بنیادی مکانیک کوانتومی است. این یک مثال典ی از فیزیک کوانتومی است که در آن می‌توانیم نتایج را ببینیم، اما نمی‌توانیم آنچه درون آزمایش در حال وقوع است را تجسم کنیم. و با این حال، می‌توان از آن برای کاربردهای عملی استفاده کرد. این بسیار جذاب است و تقریباً به فلسفه نزدیک می‌شود.”

جزئیات آزمایش جدید

در تنظیم جدید آزمایش، پژوهشگران لینک‌پینگ از فوتون‌هایی استفاده کردند که به‌طور دایره‌ای حرکت می‌کنند که به آن مومنتوم زاویه‌ای مداری گفته می‌شود، برخلاف حرکت نوسانی متداول که به بالا و پایین می‌رود. انتخاب مومنتوم زاویه‌ای مداری امکان کاربردهای عملی آینده را فراهم می‌کند، زیرا می‌تواند اطلاعات بیشتری را در خود جای دهد. اندازه‌گیری‌ها در ابزاری که به‌طور معمول در تحقیقات استفاده می‌شود، به نام اینترفرومتر انجام می‌شود، جایی که فوتون‌ها به یک کریستال (تقسیم‌کننده پرتو) شلیک می‌شوند که مسیر فوتون‌ها را به دو مسیر جدید تقسیم می‌کند و سپس این مسیرها به‌گونه‌ای بازتاب می‌یابند که بر روی یک تقسیم‌کننده پرتو دوم تلاقی کنند و بسته به وضعیت این دستگاه دوم به‌عنوان ذرات یا امواج اندازه‌گیری می‌شوند.

یکی از ویژگی‌های خاص این تنظیم آزمایش این است که تقسیم‌کننده پرتو دوم می‌تواند به‌طور جزئی توسط پژوهشگران در مسیر نور قرار گیرد. این امکان را فراهم می‌کند که نور به‌عنوان امواج، یا ذرات، یا ترکیبی از آن‌ها در همان تنظیم اندازه‌گیری شود. به گفته پژوهشگران، یافته‌ها می‌توانند کاربردهای زیادی در آینده در زمینه‌های ارتباطات کوانتومی، متروژی و رمزنگاری داشته باشند. اما همچنین موارد بیشتری برای کاوش در سطح بنیادی وجود دارد.

آینده آزمایشات

دانیل اسپگل-لکسن، دانشجوی دکترا در دپارتمان مهندسی برق می‌گوید: “در آزمایش بعدی‌مان، می‌خواهیم رفتار فوتون را مشاهده کنیم اگر تنظیمات کریستال دوم را درست قبل از رسیدن فوتون به آن تغییر دهیم. این نشان می‌دهد که می‌توانیم از این تنظیم آزمایش در ارتباطات برای توزیع امن کلیدهای رمزنگاری استفاده کنیم که بسیار هیجان‌انگیز است.”