مکانیک کوانتومی به‌ روایت جدید: شگفتی‌های آزمایش فوتون‌ها و گره‌گشایی از رمزهای آینده!

پژوهش‌های تازه در دنیای مکانیک کوانتومی و نظریه‌ی اطلاعات

به لطف یه آزمایشِ جدید، محققای دانشگاه لینک‌پینگ و بقیه مراکز تونستن یه مطالعه‌ی نظریِ ده ساله رو تأیید کنن که به یکی از پایه‌های اساسی مکانیک کوانتومی، یعنی اصل مکمل، مربوط می‌شد. اون‌ها این اصل رو با نظریه‌ی اطلاعات پیوند دادن. این تحقیق توی مجله‌ی Science Advances چاپ شده و یه بخشی از معمّای فهم ارتباطات کوانتومی و مسائل اندازه‌گیری و رمزنگاری آینده رو روشن می‌کنه. گیلرمه بی. زاویر، که توی دانشگاه لینک‌پینگ سوئد رو ارتباطات کوانتومی کار می‌کنه، می‌گه: «نتایج ما فعلاً کاربرد واضح یا مستقیمی ندارن. این یه پژوهش بنیادیه که داره زیربنای فناوری‌های آینده رو توی زمینه‌ی اطلاعات کوانتومی و کامپیوترهای کوانتومی درست می‌کنه. پتانسیل زیادی برای کشف چیزای کاملاً نو توی خیلی از حوزه‌های تحقیقاتی وجود داره.»

یه کم در مورد مفاهیم اولیه

اما برای اینکه بفهمیم محققا چی کشف کردن، باید از اول شروع کنیم. یکی از عجیب‌ترین و در عین حال مهم‌ترین ویژگی‌های مکانیک کوانتومی اینه که نور می‌تونه هم ذره باشه و هم موج. به این پدیده می‌گن دوگانگی موج-ذره. این نظریه به قرن هفدهم برمی‌گرده، اون موقع آیزاک نیوتن پیشنهاد داد که نور از ذرات تشکیل شده. دانشمندای دیگه، که هم‌دوره با نیوتن بودن، فکر می‌کردن نور یه سری موج. آخر سر نیوتن گفت شاید نور هم ذره باشه هم موج، ولی نتونست این ادعا رو ثابت کنه.

توی قرن نوزدهم، چند تا فیزیک‌دان با آزمایش‌های مختلف نشون دادن که نور در واقع از امواج تشکیل شده. اما اوایل قرن بیستم، هم مکس پلانک و هم آلبرت اینشتین به این نظر که نور فقط موج هست، ایراد گرفتن. با این وجود، تا سال‌های 1920، فیزیک‌دانی به اسم آرتور کامپتون تونست نشون بده که نور انرژی جنبشی هم داره، که این ویژگی یه ذره‌ی کلاسیکه. به این ذرات گفتن فوتون. پس نتیجه گرفتن که نور هم می‌تونه ذره باشه، هم موج، درست همون‌طور که نیوتن گفته بود.

دوگانگی موج-ذره توی ذرات بنیادی

الکترون‌ها و بقیه‌ی ذرات بنیادی هم این دوگانگی موج-ذره رو نشون می‌دن. ولی نمی‌شه یه فوتون رو هم‌زمان هم به عنوان موج اندازه‌گیری کرد، هم ذره. بسته به اینکه چطور فوتون رو اندازه‌گیری کنیم، یا موج دیده می‌شه یا ذره. به این پدیده می‌گن اصل مکمل و نیلز بور توی اواسط دهه‌ی 1920 این اصل رو توسعه داد. این اصل می‌گه مهم نیست چی رو برای اندازه‌گیری انتخاب می‌کنیم، ترکیبی از ویژگی‌های موجی و ذره‌ای باید ثابت بمونه.

یه آزمایش جدید، نظریه‌ی عدم قطعیت انتروپی رو تأیید کرد

توی سال ۲۰۱۴، یه گروه تحقیقاتی از سنگاپور به صورت ریاضی نشون دادن که یه رابطه‌ی مستقیم بین اصل مکمل و میزان اطلاعات ناشناخته توی یه سیستم کوانتومی وجود داره که بهش می‌گن عدم قطعیت انتروپی. این یعنی هر ترکیبی از ویژگی‌های موجی یا ذره‌ای یه سیستم کوانتومی که بررسی بشه، حداقل یه بیت اطلاعات ناشناخته وجود داره، یعنی موج یا ذره‌ای که نمی‌شه اندازه‌ش گرفت. محققای دانشگاه لینک‌پینگ، به همراه همکاراشون از لهستان و شیلی، الان تونستن نظریه‌ی محققای سنگاپوری رو با کمک یه مدل جدید از آزمایش تأیید کنن.

گیلرمه بی. زاویر می‌گه: «از نظر ما، این یه روش خیلی مستقیمی برای نشون دادن رفتارهای بنیادین مکانیک کوانتومی. این یه نمونه‌ی عالی از فیزیک کوانتومی‌ه که می‌شه نتایجش رو دید، ولی نمی‌شه تصور کرد که توی آزمایش چه اتفاقی داره می‌افته. با این حال، می‌شه ازش توی کارهای عملی استفاده کرد. این خیلی جالبه و تقریباً به فلسفه نزدیک می‌شه.»

جزئیات آزمایش جدید

توی این آزمایش جدید، پژوهشگرای لینک‌پینگ از فوتون‌هایی استفاده کردن که به صورت دایره‌ای حرکت می‌کنن که بهش می‌گن مومنتوم زاویه‌ای مداری، برخلاف اون حرکت نوسانی معمولی که بالا و پایین می‌ره. انتخاب کردن مومنتوم زاویه‌ای مداری، امکان کاربردهای عملی آینده رو فراهم می‌کنه، چون می‌تونه اطلاعات بیشتری رو توی خودش جا بده. اندازه‌گیری‌ها توی یه ابزاری به اسم اینترفرومتر انجام می‌شه که معمولاً توی تحقیقات استفاده می‌شه. اونجا فوتون‌ها به یه کریستال (تقسیم‌کننده‌ی پرتو) شلیک می‌شن که مسیر فوتون‌ها رو به دو مسیر جدید تقسیم می‌کنه و بعد این مسیرها جوری بازتاب می‌شن که روی یه تقسیم‌کننده‌ی پرتو‌ی دوم به هم می‌رسن و بر اساس وضعیت این دستگاه دوم، به‌صورت ذرات یا امواج اندازه‌گیری می‌شن.

یکی از ویژگی‌های خاص این آزمایش اینه که تقسیم‌کننده‌ی پرتو‌ی دوم می‌تونه تا یه حدی توسط پژوهشگرا توی مسیر نور قرار بگیره. این کار باعث می‌شه که بشه نور رو هم به صورت امواج، هم به صورت ذرات و هم ترکیبی از این دو، توی همون تنظیم اندازه‌گیری کرد. طبق گفته‌ی پژوهشگرا، این یافته‌ها می‌تونن توی آینده توی حوزه‌های ارتباطات کوانتومی، مترولوژی و رمزنگاری کاربردهای زیادی داشته باشن. ولی چیزای بیشتری هم هست که باید توی سطح بنیادی بررسی بشن.

آینده‌ی آزمایش‌ها

دانیل اسپگل-لکسن، که دانشجوی دکترا توی بخش مهندسی برق هست می‌گه: «توی آزمایش بعدی‌مون، می‌خوایم رفتار فوتون رو ببینیم اگه تنظیمات کریستال دوم رو درست قبل از اینکه فوتون بهش برسه، عوض کنیم. این نشون می‌ده که می‌شه از این تنظیم توی ارتباطات برای توزیع امن کلیدهای رمزنگاری استفاده کرد که خیلی هیجان‌انگیزه.»