یعنی احتمالش هست در آینده اصل عدم قطعیت نقض بشه ؟
Physicists Just Discovered a Way to Track Unobserved Quantum Particles
بسم الله الرحمن الرحیم
بیگ بنگ: یکی از اصول پایهای نظریه کوانتوم این است که اشیاء کوانتومی بصورت موج یا ذره وجود دارند اما تا زمانی که آنها اندازهگیری نشوند، نمیتوانند به این دو شکل در آیند. این موضوع باعث شده است تا شناسایی یا ردیابی اشیاء کوانتومی مشاهده نشده غیرممکن به نظر برسد. اما بتازگی فیزیکدانان این مشکل را حل کرده و ثابت کردند ردیابی این ذرات غیرممکن نیست.
به گزارش بیگ بنگ، دیوید آرویدسون شوکور، محقق ارشد این پژوهش و دانشجوی دکتری در آزمایشگاه کاوندیش دانشگاه کمبریج فردی بود که قضیهای در فیزیک به نام “تابع موج” توجه او را به خود جلب کرد. آرویدسون در بیانیهای خبری اظهار داشت که این قضیه تاکنون بیشتر به عنوان ابزاری در ریاضیات مورد استفاده قرار میگرفته است تا توضیحی برای ذرات کوانتومی. او در ادامه گفت: «به همین دلیل است که ما چالش یافتن راهی برای ردیابی حرکات مرموز ذرات کوانتوم را پذیرفتیم.»
محققان نشان دادند که بجای اندازهگیری شی کوانتومی، می توان با بررسی نحوۀ تعاملات جسم کوانتومی با محیط اطراف آن، ذرات مشاهده نشدۀ کوانتومی را ردیابی نمود. ذرات در حین حرکت، محیط اطراف خود را “نشانهگذاری´میکنند. هر نشانه یا همکنش با محیط، اطلاعاتی را درون ذره کدگذاری می کند. بنابراین آرویدسون و همکارانش روشی را ابداع کردند تا این تعاملات نشانهای را بدون مشاهده مستقیم، ردیابی کنند. همچنین محققان در خلال بررسی این نشانهها دریافتند که می توان این اطلاعات را در پایان هر آزمایش کدگشایی کرد. این موضوع به دانشمندان کمک می کند تا حرکات ذرات کوانتوم را دنبال کرده و رفتارهای آنها را پیشبینی کنند.
قلمرو ممنوعه
این روش جدید امکان آزمایش پیشبینیهای قبلی در مکانیک کوانتوم را فراهم می کند. این پیشبینیها شامل ایدههایی از این دست هستند که یک ذره می تواند همزمان در دو مکان مختلف حضور داشته باشد یا نظراتی از قبیل تلهپاتی که در آن اطلاعات بدون مبادلۀ هیچ ذرهای میان دو نفر منتقل میشود. بنابراین این تحقیقات نه تنها ثابت می کند که مسئلهای غیرممکن، به ممکن تبدیل شده است، بلکه می تواند امکان اثبات بالقوۀ تلهپاتی را فراهم کند. مهمتر اینکه شاید این تحقیقات درک ما از ذرات موجی را دستخوش تغییر سازد. پیشتر ذرات موجی به عنوان ابزارهای محاسباتی انتزاعی شناخته میشدند که از آنها برای پیشبینی نتیجۀ آزمایشات کوانتومی استفاده می شد اما محققان دریافتند که اطلاعات کدگذاری شده در هر ذره کوانتومی پس از هر تعامل نشانهای مستقیما با تابع موج در ارتباط است.
آرویدسون در بیانیۀ خبری خود اظهار داشت: «نتایج آزمایشات ما نشان میدهد “تابع موج” ارتباط نزدیکی با حالت اصلی ذره دارد. بنابراین ما موفق به بررسی قلمرو ممنوعۀ مکانیک کوانتوم یعنی ردیابی ذرات کوانتومی مشاهده نشده شدیم.» این تحقیقات می تواند به پیشبرد تلاشهای دانشمندان در درک حرکات و رفتار ذرات کوانتومی و موجی کمک کند. حقایق بنیادین فیزیک کوانتوم را می توان با خیل اطلاعات جدید مورد آزمایش قرار داد و حتی ممکن است اکتشافات بسیاری در انتهای این مسیر منتظر ما باشند. جزئیات بیشتر این پژوهش در نشریۀ Physical Review A منتشر شده است.
ترجمه: رضا کاظمی/ سایت علمی بیگ بنگ
منبع: sciencealert.com
احسنت به دیوید آرویدسون شوکور
واقعا کسی فکرشو میکرد اینقدر ساده و پیش پا افتاده اصل عدم قطعیت رو بشه رد کرد ؟
یعنی احتمالش هست در آینده اصل عدم قطعیت نقض بشه ؟
One of the underlying principles of quantum theory is that quantum objects can exist as waves or particles. But, they do not exist as either until they are measured, making it seemingly unachievable to identify or track quantum objects when they're not being observed.
But recently, physicists faced this issue and proved that it is not an impossibility to track unobserved quantum particles.
David Arvidsson-Shukur, the study's first author and a Ph.D. student at Cambridge's Cavendish Laboratory, became interested in a physics premise called "the wave function."
While it seemed to contain a wealth of information, it had been used more as a mathematical tool than a representation of actual quantum particles, Arvidsson-Shukur explained in a press release.
"That's why we took on the challenge of creating a way to track the secret movements of quantum particles."
Within this new study, published in the journal Physical Review A, researchers from the University of Cambridge demonstrated that, by examining the way a quantum object interacts with its environment instead of measuring the object itself, you can track unobserved quantum particles.
As particles move, they "tag" their environment.
Each "tag," or interaction with their environment encodes information within the particles. So Arvidsson-Shukur and his co-authors developed a method to map these "tagging" interactions without directly observing them.
Also, in following these "tags," the researchers found that they could decode the information from the particles at the end of an experiment when the particles were observed.
This will allow scientists to follow the movement of quantum particles, giving them much more insight into their behaviours.
The Forbidden Domain
This new way to track unobserved quantum particles could allow scientists to test old predictions in quantum mechanics.
These include ideas like that a particle can exist in two places at the same time, or suggestions like telepathy in which information can be transmitted between two people without any particles traveling between them.
So, not only does this research prove that what was once thought to be a physical impossibility is, in fact, possible — it also could potentially allow researchers to verify the potential reality of telepathy.
But, perhaps even more importantly, this experiment expanded physicists' understanding of wave particles.
Previously, they had been thought to be abstract computational tools, used only to predict the outcome of quantum experiments. But the researchers in this study found that the information encoded into each quantum particle after each "tagging" interaction is directly related to the wave function.
"Our result suggests that the wave function is closely related to the actual state of particles," Arvidsson-Shukur explained in the press release.
"So, we have been able to explore the 'forbidden domain' of quantum mechanics: pinning down the path of quantum particles when no one is observing them."
This research could help to support continuing efforts to understand the movement and behavior of quantum particles and wave particles.
The fundamental "truths" of quantum physics could be tested by a wealth of new information, and many exciting new discoveries could be down the road.
This article was originally published by Futurism. Read the original article.
آزمایشی جدید به مکانیک پنهانی و شگفت برهمنهیهای کوانتومی اشاره دارد.
آزمایشی جدید به مکانیک پنهانی و شگفت برهمنهیهای کوانتومی (این مفهوم که اشیاء کوچک میتوانند به طور همزمان در چندین نقطه یا حالت وجود داشته باشند، سنگ بنای فیزیک کوانتومی است. یک آزمایش جدید به دنبال کشف این پدیده اسرارآمیز است) اشاره دارد.
این، مساله اصلی مکانیک کوانتومی است و کسی از پاسخ آن مطلع نیست: به راستی در برهم نهی چه اتفاقی رخ میدهد – شرایط عجیب و غریبی که در آن به نظر می رسد که ذرات به طور همزمان در دو یا چند مکان یا حالت قرار دارند. در حال حاضر، گروهی از محققان در اسرائیل و ژاپن در یک مقاله آماده ارائه، آزمایشی را توضیح دادهاند که به کمک آن در نهایت میتوان با اطمینان در مورد ماهیت این پدیده گیج کننده سخن گفت.
آزمایش آنها که طبق نظر محققان میتواند در عرض چند ماه انجام شود، باید دانشمندان را قادر سازد تا زمانی که شی – در این مورد ذرهای از نور به نام فوتون – در یک برهمنهی است، نگاه سریعی به مکانی که عملا در آن است، بیندازد. پژوهشگران پیش بینی می کنند که این پاسخ حتی عجیبتر و تکان دهندهتر از “دو مکان به طور همزمان” خواهد بود.
مثال کلاسیکی از برهمنهی، شامل شلیک فوتونها در دو شکاف موازی از یک مانع است. یکی از جنبههای اساسی مکانیک کوانتومی این است که ذرات ریز میتوانند مانند امواج رفتار کنند، بنابراین فوتونهایی که از طریق یک شکاف عبور میکنند، با آنهایی که از شکاف دیگر میگذرند، ” تداخل” می کنند. حرکت موجی هر کدام موجب تقویت یا خنثی کردن دیگری برای ایجاد یک الگوی مشخص در صفحهی آشکارساز میشود. با این حال، عجیب است که این تداخل رخ می دهد حتی اگر یک ذره در یک زمان برانگیخته شود. به نظر میرسد که ذره به نحوی به صورت همزمان، از هر دو شکاف عبور کرده و با خودش تداخل میکند؛ که این همان برهمنهی است.
و این عجیبتر میشود: اندازهگیری و سنجش این که چنین ذرهای از کدام شکاف عبور میکند، همیشه نشان داده است که ذره فقط از یکی از شکافها میگذرد. اما پس از آن که ذرهی موج مانند تداخل (کوانتومی) کرد، ناپدید میشود. به نظر میرسد که اندازهگیریها موجب بر هم خوردن بر هم نهی میشوند. Avshalom Elitzur فیزیکدان از موسسه تحقیقات پیشرفته اسرائیل می گوید:” میدانیم که اتفاق مشکوک و مورد تردیدی در پدیده برهمنهی در حال انجام است. اما شما مجاز به اندازهگیری آن نیستید و این چیزی است که مکانیک کوانتومی را بسیار شیطانی میکند.”
به مدت چندین دهه محققان در این تنگنای آشکار متوقف شدهاند. آنان نمیتوانند بدون نگاه کردن به برهمنهی دقیقا بیان کنند که آن چیست؛ اما اگر سعی در نگاه کردن به آن داشته باشند، ناپدید میشود. یکی از راه حلهای بالقوه، ایجاد شده توسط مربی سابق Elitzur، فیزیکدان اسرائیلی به نام Yakir Aharonov – در حال حاضر در دانشگاه Chapman و همکارانش – راهی برای استنباط چیزی درباره ذرات کوانتومی قبل از اندازه گیری آنها پیشنهاد میکند. رویکرد Aharonov ، روش بردار دو حالته (TSVF) از مکانیک کوانتومی نامیده می شود و فرض میکند که رخدادهای کوانتومی نه تنها در گذشته، بلکه در آینده نیز در برخی از شرایط قرار دارند که به واسطه حالات کوانتومی تعیین می شود. به این معنا که TSVF فرض میکند که مکانیک کوانتومی هم به جلو و هم به عقب به یک شیوه عمل میکند. از این جنبه فکری، به نظر میرسد که علل می توانند در زمان به عقب برگردند، و پس از اثرات و معلولهایشان رخ دهند.
بیشتر بخوانید:
اما لازم نیست که این مفهوم عجیب را عینا و به معنای واقعی کلمه بپذیریم. در عوض، در TSVF می توان با انتخاب نتیجه، دانش مربوط به گذشته از آنچه در سیستم کوانتومی اتفاق افتاده است را به دست آورد: به جای اندازهگیری اینکه ذره دقیقا در کجا قرار دارد، محقق یک مکان خاص را انتخاب کرده و در آن به دنبال ذره میگردد. این کار پس-انتخاب نامیده میشود و میتواند اطلاعات بیشتری را نسبت به هرچیز قطعی و بدون هیچ قید و شرطی، با استفاده از نتایج، ارائه دهد. به این علت که حالت ذره در هر لحظه، با توجه به گذشته در کل پیشینهاش تا زمان اندازهگیری (شامل زمان اندازهگیری) مورد ارزیابی قرار میگیرد. اتفاق عجیبی میافتد چون به نظر میرسد که پژوهشگر – به سادگی با انتخاب جستجوی یک نتیجه خاص – باعث می شود که همان نتیجه اتفاق بیافتد. اما این کمی شبیه به نتیجه گیریای است که اگر شما تلویزیون را هنگام پخش برنامه مورد علاقهتان که از قبل برنامه ریزی شده تا در آن زمان پخش شود، روشن کنید، اقدام شما موجب پخش آن برنامه در همان لحظات میشود. David Wallace ، یک فیلسوف علوم در دانشگاه کالیفرنیای جنوبی که در تفسیر مکانیک کوانتومی تخصص یافته است، میگوید:” به طور کلی پذیرفته شده است که TSVF به لحاظ ریاضی معادل مکانیک کوانتومی استاندارد است ” او همچنین ادامه میدهد:” اما آن باعث می شود چیزهایی مشخصی را ببینید که در غیر این صورت نمیتوان آنها را مشاهده کرد.”
به عنوان مثال، یک نسخه از آزمایش دو شکاف که توسط Aharonov و همکارش Lev Vaidman در سال ۲۰۰۳ طراحی شده است را در نظر بگیرید که آن را با TSVF تفسیر کردند. این جفت یک سیستم نوری را توضیح میدهد(اما ساخته نشد) که در آن یک تک فوتون به عنوان یک حائل (shutter) عمل میکند که یک شکاف را بسته است و باعث میشود که فوتون در حال گردش (probe) دیگر که به شکاف نزدیک میشود به همان شیوه ای که میآمد، بازتاب کند. با اعمال پس-انتخاب بر اندازهگیریهای فوتون پراب، Aharonov وVaidman نشان دادند که می توان با بستن همزمان هر دو (یا به طور دلخواهی بیشتر) شکاف، یک فوتون شاتر را در یک حالت فوق برهمنهی تشخیص داد. به عبارتی دیگر، این آزمایش فکری به طور نظری اجازه میدهد که با اطمینان بگوییم که در یک لحظه هم “اینجا” و هم “آنجا” است. اگرچه این وضعیت با تجربیات روزمره ما متناقض است، اما یکی از جنبههای به خوبی مطالعه شده از خواص به اصطلاح “غیر موضعی” ذرات کوانتومی است که در آن، کل مفهوم یک مکان خوش تعریف در فضا، حل میشود.
در سال ۲۰۱۶، Okamoto و Shigeki Takeuchi فیزیکدانانی از دانشگاه کیوتو (Kyoto )، پیش بینیهای Aharonov و Vaidman را به صورت تجربی و با استفاده از یک مدار نورپردازی که در آن با استفاده از یک روتر کوانتومی، فوتون شاتر ایجاد شده بود، مطالعه و بررسی کردند. روتر کوانتومی دستگاهی است که به یک فوتون اجازه میدهد که مسیر دیگری را کنترل کند. Elitauh Cohen از دانشگاه اتاوا (Ottawa) در انتاریو(Ontario) که همکار Elitzur است، میگوید:” این یک آزمایش پیشگامانه بود که اجازه داد به موقعیت همزمان یک ذره در دو مکان پی ببریم.”
در حال حاضر Elitzur وCohen با Okamoto و Takeuchi برای طراحی آزمایشی با درگیری فکری بیشتر، همکاری کردهاند. آنها بر این اعتقادند که این آزمایش محققان را قادر می سازد تا با اطمینان در مورد مکان یک ذره در یک بر همنهی در نقاط مختلف یک سری زمانی، قبل از انجام هر گونه اندازهگیری حقیقی، سخن بگویند.
این بار مسیر فوتون پروب را با آینه های جزئی به سه قسمت تقسیم میکنیم. در طول هر یک از این مسیرها، این فوتون ممکن است با یک فوتون شاتر در برهمنهی، برهم کنش کند. میتوان در نظر گرفت که این برهمکنشها در جعبههایی که با حروف A، B و C بر چسب دار شدهاند و هر یک از آنها در امتداد هر کدام از سه مسیر ممکن فوتون هستند، اتفاق میافتند. با نگاه به تداخل با خود فوتون پروب، می توان با اطمینان نتیجه گرفت که ذره شاتر در زمان مشخص، در جعبهی معین بوده است.
این آزمایش به گونهای طراحی شد که فوتون پروب تنها زمانی میتواند تداخلی نشان دهد که با فوتون شاتر در یک توالی خاصی از مکانها و زمانها، برهمکنش داشته باشد: یعنی اگر فوتون شاتر در یک زمان (t1)، در هر دو جعبه A و C باشد، در زمان بعدی (t2) فقط در C و در زمان دورتر (t3) در هر دو جعبه B و C خواهد بود. بنابراین تداخل در فوتون پراب، یک نشانه قطعی است که فوتون شاتر دنباله ای از الگویی غیرمنتظره و عجیب و ظاهری بی ربط به هم، بین جعبهها در زمانهای مختلف ساخته است. – Elitzur، Cohen و Aharonov سال گذشته ایدهای را برای احتمال انتشار یک ذره در سه جعبه مطرح کردند. Ken Wharton فیزیکدانی از دانشگاه ایالت سن خوزه (San Jose)، کسی که در پروژه جدید دخیل نیست، می گوید:” من روش این مقاله در بیان سوالات در مورد کل پیشینه ذره به جای حالات لحظهای آن را دوست دارم.” او همچنین میافزاید:” سخن گفتن در مورد حالتها یک تعصب فراگیر قدیمی است، در حالی که سابقه کامل، به طور کلی بسیار غنی تر و جالب است”.
این غنایی که Elitzur و همکاران در مورد آن بحث میکنند، همان چیزی است که TSVF به آن امکان دسترسی میدهد. ناپدید شدن مسلم ذرات در یک مکان و در یک زمان و ظهور دوباره آنها در زمانها و مکانهایی دیگر، نسخهی جدید و خارق العاده ای از فرآیندهای اساسی موجود در ماهیت غیر موضعی ذرات کوانتومی ارائه میدهد. از طریق لنز TSVF ، Elitzur میگوید: این موجودیت همیشه در حال تغییر میتواند به عنوان یک سری از رویدادهایی فهمیده شود که در آن حضور یک ذره در یک محل به نحوی با متقارنش در همان مکان خنثی میشود. او این را با مفهومی که توسط پل دیراک(Paul Dirac)، فیزیکدان بریتانیایی در دهه ۱۹۲۰ معرفی شده است، مقایسه کرد. دیراک کسی که استدلال کرد که ذرات دارای پاد ذره هستند، و در صورت جمع شدن، یک ذره و یک پاد ذره میتوانند یکدیگر را نابود کنند. این تصویر در ابتدا فقط یک شیوه صحبت کردن به نظر میرسید، اما طولی نکشید که منجر به کشف پاد ماده شد. ناپدید شدن ذرات کوانتومی به صورت مشابه به معنی نابودی نیست، اما تا حدودی مشابه آن است. Elitzur ثابت کرد که این عناصر متضاد پیش بینی شده، باید دارای انرژی منفی و جرم منفی باشند، به این ترتیب آنها می توانند نقاط مقابل خود را خنثی کنند.
Elitzur میگوید:” اگرچه دیدگاه مرسوم ” دو مکان هم زمان” از برهمنهی ممکن است به اندازه کافی عجیب و غریب به نظر برسد، یک برهمنهی از مجموعهای از حالات، ممکن است وجود داشته باشد که حتی شگفت انگیزتراست.” او می گوید: “مکانیک کوانتومی تنها در مورد میانگین آنها سخن میگوید.” او اظهار میکند پس-انتخاب، اجازه مجزا کردن و بررسی تنها برخی از این حالات را با بالاترین دقت میدهد. طبق نظر Elitzur ، چنین تفسیری از رفتار کوانتومی، «انقلابی» است.
محققان بیان میکنند که انجام آزمایش واقعی نیاز به تنظیم دقیق عملکرد روترهای کوانتومیشان دارد، اما آنان امیدوارند تا سیستم خود را طی سه تا پنج ماه آماده کنند. در حال حاضر برخی از ناظران بیرونی، خیلی منتظر نیستند. Wharton میگوید:” این آزمایش مقید به کار است”، اما می افزاید:” هیچ چیز، کسی را متقاعد نخواهد کرد، زیرا نتایج به وسیله مکانیک کوانتومی استاندارد پیش بینی میشوند.” به عبارت دیگر، دلیل قانع کنندهای برای تفسیر نتایج از نظر TSVF به جای یکی از بسیاری از روش های دیگر که پژوهشگران به کمک آنها رفتار کوانتومی را تفسیر می کنند، وجود ندارد.
Elitzur موافق است که آزمایش آنها میتواند با استفاده از دیدگاه مرسوم مکانیک کوانتومی که دههها پیش از آن به وقوع پیوسته است، تصور شود – اما هرگز این گونه نبوده است. او میپرسد:” آیا این نشانه خوبی از ثبات TSVF نیست؟” و همچنین می افزاید که اگر کسی فکر میکند که میتواند با استفاده از مکانیک کوانتومی استاندارد، تصویر متفاوتی از “آنچه که واقعا در حال وقوع است” تنظیم کند، “بسیار خب، بگذارید پیش برود!”
A new experiment hints at surprising hidden mechanics of quantum superpositions
It is the central question in quantum mechanics, and no one knows the answer: What really happens in a superposition—the peculiar circumstance in which particles seem to be in two or more places or states at once? In 2018 a team of researchers in Israel and Japan proposed an experiment that could finally let us say something for sure about the nature of this puzzling phenomenon.
Their experiment was designed to enable scientists to sneak a glance at where an object—in this case a particle of light, called a photon—actually resides when it is placed in a superposition. And the researchers predict the answer will be even stranger and more shocking than “two places at once.”
The classic example of a superposition involves firing photons at two parallel slits in a barrier. One fundamental aspect of quantum mechanics is that tiny particles can behave like waves, so that those passing through one slit “interfere” with those going through the other, their wavy ripples either boosting or canceling one another to create a characteristic pattern on a detector screen. The odd thing, though, is this interference occurs even if only one particle is fired at a time. The particle seems somehow to pass through both slits at once, interfering with itself. That’s a superposition.
And it gets weirder: Measuring which slit such a particle goes through will invariably indicate it goes through only one—but then the wavelike interference (the “quantumness,” if you will) vanishes. The very act of measurement seems to “collapse” the superposition. “We know something fishy is going on in a superposition,” says physicist Avshalom Elitzur of the Israeli Institute for Advanced Research. “But you’re not allowed to measure it. This is what makes quantum mechanics so diabolical.”
For decades researchers have stalled at this apparent impasse. They cannot say exactly what a superposition is without looking at it, but if they try to look at it, it disappears. One potential solution—developed by Elitzur’s former mentor, Israeli physicist Yakir Aharonov, now at Chapman University, and his collaborators—suggests a way to deduce something about quantum particles before measuring them. Aharonov’s approach is called the two-state-vector formalism (TSVF) of quantum mechanics and postulates quantum events are in some sense determined by quantum states not just in the past but also in the future. That is, the TSVF assumes quantum mechanics works the same way both forward and backward in time. From this perspective, causes can seem to propagate backward in time, occurring after their effects—a phenomenon called retrocausation.
But one needn’t take this strange notion literally. Rather in the TSVF, one can gain retrospective knowledge of what happened in a quantum system by selecting the outcome: Instead of simply measuring where a particle ends up, a researcher chooses a particular location in which to look for it. This is called postselection, and it supplies more information than any unconditional peek at outcomes ever could. This is because the particle’s state at any instant is being evaluated retrospectively in light of its entire history, up to and including measurement. The oddness comes in because it looks as if the researcher—simply by choosing to look for a particular outcome—then causes that outcome to happen. But this is a bit like concluding that if you turn on your television when your favorite program is scheduled, your action causes that program to be broadcast at that very moment. “It’s generally accepted that the TSVF is mathematically equivalent to standard quantum mechanics,” says David Wallace, a philosopher of science at the University of Pittsburgh, who specializes in interpretations of quantum mechanics. “But it does lead to seeing certain things one wouldn’t otherwise have seen.”
Take, for instance, a version of the double-slit experiment devised in 2003 by Aharonov and his co-worker Lev Vaidman of Tel Aviv University, which they interpreted with the TSVF. The pair described (but did not build) an optical system in which a single photon acts as a “shutter” that closes a slit by causing another “probe” photon approaching the slit to be reflected back the way it came. By applying postselection to the measurements of the probe photon, Aharonov and Vaidman showed, one could discern a shutter photon in a superposition closing both (or indeed arbitrarily many) slits simultaneously. In other words, this thought experiment would in theory allow one to say with confidence the shutter photon is both “here” and “there” at once. Although this situation seems paradoxical from our everyday experience, it is one well-studied aspect of the so-called nonlocal properties of quantum particles, where the whole notion of a well-defined location in space dissolves.
In 2016 physicists Ryo Okamoto and Shigeki Takeuchi of Kyoto University verified Aharonov and Vaidman’s predictions experimentally using a light-carrying circuit in which the shutter photon is created using a quantum router, a device that lets one photon control the route taken by another. “This was a pioneering experiment that allowed one to infer the simultaneous position of a particle in two places,” says Elitzur’s colleague Eliahu Cohen of the University of Ottawa in Ontario.
Now Elitzur and Cohen have teamed up with Okamoto and Takeuchi to concoct an even more mind-boggling experiment. They believe it will enable researchers to say with certainty something about the location of a particle in a superposition at a series of different points in time—before any actual measurement has been made.
This time the probe photon’s route would be split into three by partial mirrors. Along each of those paths it may interact with a shutter photon in a superposition. These interactions can be considered to take place within boxes labeled A, B and C, one of which is situated along each of the photon’s three possible routes. By looking at the self-interference of the probe photon, one can retrospectively conclude with certainty the shutter particle was in a given box at a specific time.
The experiment is designed so the probe photon shows interference only if it interacted with the shutter photon in a particular sequence of places and times: namely, if the shutter photon was in both boxes A and C at some time (t1), then at a later time (t2) only in C, and at a still later time (t3) in both B and C. So interference in the probe photon would be a definitive sign the shutter photon made this bizarre, logic-defying sequence of disjointed appearances among the boxes at different times—an idea Elitzur, Cohen and Aharonov proposed in 2017 as a possibility for a single particle spread across three boxes. “I like the way this paper frames questions about what is happening in terms of entire histories rather than instantaneous states,” says physicist Ken Wharton of San José State University, who is not involved in the new project. “Talking about ‘states’ is an old pervasive bias, whereas full histories are generally far more rich and interesting.”
That richness, Elitzur and his colleagues argue, is what the TSVF gives access to. The apparent vanishing of particles in one place at one time—and their reappearance in other times and places—suggests an extraordinary vision of the underlying processes involved in the nonlocal existence of quantum particles. Through the lens of the TSVF, Elitzur says, this flickering, ever changing existence can be understood as a series of events in which a particle’s presence in one place is “canceled” by its own “counterparticle” in the same location. He compares this with the idea introduced in the 1920s by British physicist Paul Dirac, who argued that particles possess antiparticles, and if brought together, a particle and antiparticle can annihilate each other. At first this notion seemed just a manner of speaking but soon led to the discovery of antimatter. The disappearance of quantum particles is not “annihilation” in this same sense, but it is somewhat analogous: these putative counterparticles, Elitzur posits, should possess negative energy and negative mass, allowing them to cancel their counterparts.
So although the traditional “two places at once” view of superposition might seem odd enough, “it’s possible a superposition is a collection of states that are even crazier,” Elitzur says. “Quantum mechanics just tells you about their average.” Postselection then allows one to isolate and inspect just some of those states at greater resolution, he suggests. Such an interpretation of quantum behavior would be, he says, “revolutionary”—because it would entail a hitherto unguessed menagerie of real (but very odd) states underlying counterintuitive quantum phenomena.
Okamoto and his colleagues in Kyoto have now carried out the proposed experiment using photons, but they are still analyzing the results. All the same, Cohen says, “the preliminary results accord well with the theory.” He says the Japanese researchers are now making improvements to the setup to shrink the error bars.
For now some outside observers are not exactly waiting with bated breath. “The experiment is bound to work,” Wharton says—but he adds it “won’t convince anyone of anything, since the results are predicted by standard quantum mechanics.” In other words, there would be no compelling reason to interpret the outcome in terms of the TSVF rather than one of the many other ways that researchers interpret quantum behavior.
Elitzur agrees their experiment could have been conceived using the conventional view of quantum mechanics that prevailed decades ago—but it never was. “Isn’t that a good indication of the soundness of the TSVF?” he asks. And if someone thinks they can formulate a different picture of “what is really going on” in this experiment using standard quantum mechanics, he adds, “Well, let them go ahead!”
He is confident that the work heralds “nothing short of a revolution within quantum mechanics.” Now that measurement methods have become precise enough, he says, “you can be sure that notions like retrocausation are going to become part and parcel of quantum reality.”
How One Shutter Can Close N Slits. Y. Aharonov and L. Vaidman in Physical Review A, Vol. 67, Article 042107; April 22, 2003.
*************تجربة جديدة تُلمِّح إلى ميكانيكا خفية ومدهشة للتراكبات الكمّية
السؤال التالي سؤال محوري في ميكانيكا الكم، ولا أحد يعرف إجابته: ماذا يحدث في حقيقة الأمر خلال التراكب Superposition، هذه الحالة الغريبة التي تبدو فيها الجسيمات كما لو كانت في مكانين أو حالتين أو أكثر في آنٍ واحد؟ في الوقت الحالي، يقترح فريق من الباحثين في إسرائيل واليابان في ورقة بحثية مرتقبة تجربةً قد تسمح لنا أخيرًا بقول شيء مؤكد حول طبيعة هذه الظاهرة المُحيِّرة.
من المنتظر لهذه التجربة -والتي يقول الباحثون إنها قد تُجرى خلال شهور قليلة- أن تُمَكِّن العلماء من إلقاء نظرة خاطفة على الموقع الذي يكمُن فيه في حقيقة الأمر جسمٌ ما (في هذه الحالة جسيم من الضوء يُسمَّى الفوتون) عند وضعه ضمن تَراكُب. ويتنبأ الباحثون أن الإجابة ستكون غريبة وصادمة بشكل يفوق حتى الإجابة التي تقول: "مكانين في وقت واحد".
يتضمن المثال الكلاسيكي للتراكُب إطلاق فوتونات نحو شقين طوليين متوازيين على حاجز. وأحد الجوانب الأساسية لميكانيكا الكمّ يتمثل في أن الجسيمات الضئيلة يمكن لها أن تسلك مسلك الموجات، بحيث يمكن لتلك المارة عبر أحد الشقين أن "تتداخل" مع تلك المارة عبر الشق الآخر، وإما أن تعزِّز تموجات كلٍّ منهما الأخرى أو تُبطلها، فينتج عن هذا نمط مميز على شاشة المِكشاف. إلا أن الشيء الغريب هو أن هذا التداخل يحدث حتى وإن تم إطلاق جسيم واحد فقط في المرة الواحدة. يبدو الجسيم كما لو أنه بشكل ما أو بآخر يمر عبر كلا الشقين في آن واحد، متداخلًا مع ذاته. وهذا تراكُب.
ويزداد الأمر غرابةً: إن قياس أيٍّ من هذين الشقين يعبره جسيم مثل هذا سوف يشير دومًا إلى أن الجسيم يعبر خلال شقٍّ واحد منهما فقط، ولكن حينها يختفي التداخل الذي يبدو كالموجات (’’الكمومية‘‘، إن شئت القول). يبدو فعل القياس في حد ذاته كما لو كان ’’يهدم‘‘ التراكب. يقول الفيزيائي أفشالوم إليتزور، من المعهد الإسرائيلي للبحوث المتقدمة: ’’نحن نعلم أن شيئًا مريبًا يحدث في التراكب، لكن ليس مسموحًا لنا بقياسه. وهذا ما يجعل ميكانيكا الكم شيطانية للغاية‘‘.
لقد توقف الباحثون عقودًا عند هذا الطريق المسدود؛ فهم لا يمكنهم الحكم بشكل قاطع على ماهية التراكُب دون النظر إليه، ولكن إذا حاولوا النظر إليه، فإنه يختفي. أحد الحلول المحتملة -الذي وضعه، بالتعاون مع آخرين، مشرف إليتزور السابق الفيزيائي الإسرائيلي ياكير آهارونوف، الذي يعمل حاليًّا بجامعة تشابمان- يشير إلى طريقة لاستنتاج شيء ما بصدد الجسيمات الكمية قبل قياسها. يُطلق على أسلوب آهارونوف "شكلية الكميات المتجهة ثنائية الحالة" لميكانيكا الكم (أو اختصارًا TSVF)، ويفترض هذا الأسلوب أن الأحداث الكمّية تتحدد بشكلٍ ما بالحالات الكمّية، ليس فقط في الماضي، بل أيضًا في المستقبل. أي أن TSVF تفترض أن ميكانيكا الكمّ تعمل بالطريقة نفسها نحو الأمام ونحو الخلف، على حدٍّ سواء، في الزمن. ومن هذا المنظور، قد تبدو المُسببات وكأنها تتحرك للوراء في الزمن وتحدث بشكل لاحق للتأثيرات الناتجة عنها.
لكن لا داعي للتعامل مع هذا المفهوم الغريب بشكل حَرْفي. بالأحرى، يمكن للمرء عبر TSVF أن يكتسب معرفةً ذات طبيعة استرجاعية عما حدث في نظام كمّي عبر اختيار المحصِّلة؛ فبدلًا من مجرد قياس ما ينتهي إليه أحد الجسيمات، يختار الباحث موقعًا محددًا يبحث فيه عن هذا الجسيم. يُطلَق على هذا الأمر الاختيار اللاحق، وهذا الاختيار من شأنه أن يوفر معلومات أكثر مما يمكن أن توفره أي نظرة خاطفة غير مشروطة على المحصِّلات. ويرجع هذا إلى أن حالة الجسيم في أي لحظة يتم تقييمها بشكل استرجاعي في ضوء التاريخ الكامل لهذا الجسيم، وصولًا إلى عملية القياس وبما يشملها. وتكمن الغرابة في أن الأمر يبدو كما لو أن الباحث -بمجرد أن يختار البحث عن محصِّلة محددة- يتسبب عندها في حدوث تلك المحصِّلة. إلا أن هذا الأمر يشبه قليلًا الوصول إلى نتيجةٍ مفادها أنك إذا شغَّلت تلفازك في الميعاد المقرر لعرض برنامجك المفضل، فإن فعلك هذا سيتسبب في أن يُذاع البرنامج في تلك اللحظة بعينها. يقول ديفيد والاس، فيلسوف العلوم بجامعة جنوب كاليفورنيا، وهو متخصص في تفاسير ميكانيكا الكم: ’’من المتفق عليه في العموم أن TSVF تكافئ رياضيًّا ميكانيكا الكم القياسية، لكنها تؤدي إلى رؤية أشياء معينة لم يكن المرء ليراها لولاها‘‘.
على سبيل المثال، دعنا نأخذ صيغةً من تجربة الشق الثنائي صممها آهارونوف وزميله ليف فيدمان في 2003، وهي صيغة للتجربة قاما بتفسيرها باستخدام TSVF. وصف الاثنان نظامًا بصريًّا (ولكنهما لم يقوما ببنائه)؛ هذا النظام يعمل فيه فوتون واحد بمنزلة ’’مصراع‘‘ يغلق أحد الشقين عن طريق التسبُّب في جعل فوتون آخر ’’مِسبار‘‘ آخذ في الاقتراب من الشق ينعكس عائدًا في المسار الذي أتى منه. وعبر تطبيق الاختيار اللاحق على قياسات الفوتون المسبار التي أظهرها آهارونوف وفيدمان، يمكن للمرء أن يميز فوتون مصراع في تراكب يُغلق كلا الشقين بالتزامن (أو في الواقع أي عدد عشوائي من الشقوق). بمعنى آخر، قد تتيح هذه التجربة الفكرية نظريًّا القول بثقة إن الفوتون المصراع يكون ’’هنا‘‘ و’’هناك‘‘ في وقت واحد. وعلى الرغم من أن هذا الموقف يبدو نوعًا من المفارقة بالنظر إلى واقع خبرتنا اليومية، إلا أنه أحد الجوانب المدروسة جيدًا لما يُسمّى بالخواص ’’غير المحلية‘‘ للجسيمات الكمّية، حيث يتلاشى تمامًا مفهوم الموقع المحدد بدقة في الفراغ.
في 2016، تحقق الفيزيائيان ريو أوكاموتو وشيجيكي تاكيوشي -من جامعة كيوتو- من تنبؤات آهارونوف وفيدمان تجريبيًّا باستخدام دائرة حاملة للضوء، يتولد فيها الفوتون المصراع باستخدام موجِّه كمّي، وهو جهاز يسمح لفوتون واحد بالتحكم في المسار الذي يتخذه فوتون آخر. يقول إلياهو كوهين زميل إليتزور، وهو من جامعة أوتاوا في أونتاريو: ’’لقد كانت هذه التجربة تجربةً رائدة، سمحت لي باستنباط الموقع المتزامن لجسيم في مكانين‘‘.
الآن انضم إليتزور وكوهين إلى أوكاموتو وتاكيوشي لعمل تجربة أكثر إثارةً للحيرة، وهم يعتقدون أن هذه التجربة سوف تُمكِّن الباحثين من قول شيءٍ ما بثقة حول موقع أحد الجسيمات في تراكُب عند سلسلة من نقط مختلفة في الزمن، وذلك قبل إجراء أي قياس فعلي.
هذه المرة سوف ينقسم مسار الفوتون المسبار إلى ثلاث مرايا جزئية، وعلى امتداد كل واحد من هذه المسارات قد يتفاعل الفوتون المسبار مع فوتون مصراع في تراكُب. يمكن القول إن هذه التفاعلات تحدث داخل صناديق يُرمز لها بالحروف ’أ‘، و’ب‘، و’جـ‘ يقع كل واحدٍ منها على امتداد أحد المسارات الثلاثة الممكنة للفوتون. عن طريق النظر إلى التداخل الذاتي للفوتون المسبار، يمكن للمرء بشكل استرجاعي الاستنتاج بشكل مؤكد أن الجسيم المصراع كان في صندوقٍ ما في وقت محدد.
صُممت التجربة بحيث يمكن للفوتون المسبار إظهار التداخُل فقط إذا تفاعل مع الفوتون المصراع في تسلسل معين من الأماكن والأزمنة -بالتحديد، إذا كان الفوتون المصراع في كلٍّ من الصندوقين ’أ‘ و’جـ‘ في زمن ما (t1)، ثم في زمن لاحق (t2) في ’جـ‘ فقط، ثم في زمن بعد ذلك (t3) في كلٍّ من ’ب‘ و’جـ‘. لذا فإن التداخل في الفوتون المسبار يمكن أن يكون علامةً قاطعة على أن الفوتون المصراع فعل هذا الفعل الغريب الذي يتحدى المنطق، والذي يتمثل في تسلسل مرات ظهوره المتقطع بين الصناديق في أزمنة مختلفة، وهي فكرة اقترحها إليتزور وكوهين وآهارونوف العام الماضي بوصفها احتمالية لجسيم وحيد منتشر عبر ثلاثة صناديق. يقول الفيزيائي كين وارتون من جامعة ولاية سان خوسيه، وهو غير مشارك في المشروع الجديد: ’’تعجبني الطريقة التي تصوغ بها هذه الورقة البحثية الأسئلة حول ما يحدث من زاوية سوابق التاريخ الكامل بدلًا من الحالات اللحظية. إن التحدث عن ’الحالات‘ هو أحد التحيزات القديمة واسعة الانتشار، أما سوابق التاريخ الكامل فتُعَد بشكل عام أكثر ثراءً وتشويقًا‘‘.
ووفق الفكرة التي يسوقها إليتزور وزملاؤه، هذا الثراء هو ما تتيحه TSVF. يشير الاختفاء الظاهري للجسيمات في مكانٍ ما في وقتٍ ما -وعودة ظهورها في أوقات وأماكن أخرى- إلى رؤية جديدة واستثنائية للعمليات الكامنة المُتضَمَّنة في الوجود غير المحلي للجسيمات الكمّية. ووفق إليتزور، يمكن من منظور TSVF فهم هذا الوجود الوامض دائم التغيُّر على أنه سلسلة من الأحداث التي ’’يتلاشى‘‘ فيها بشكل ما وجود جسيم في مكان ما بواسطة ’’الجسيم المضاد‘‘ الخاص بهذا الجسيم في الموقع نفسه. يُقارن إليتزور هذا بالمفهوم الذي قدمه الفيزيائي البريطاني بول ديراك في عشرينيات القرن الماضي، والذي قال بأن الجسيمات لها جسيمات مضادة، وأنه إذا تم الجمع بين جسيم وجسيم مضاد، فعندها يمكن لهما أن يتسبب بعضهما في فناء بعض. في بادئ الأمر بدت هذه الصورة كأنها أسلوب تعبيري ليس إلا، ولكنها سرعان ما أدت إلى اكتشاف المادة المضادة. إن اختفاء الجسيمات الكمّية ليس ’’فناءً‘‘ بالمعنى الذي توحي به الكلمة، ولكنه أمر مُكافئ لهذا بشكلٍ ما أو بآخر؛ فهذه الجسيمات المضادة المُفترضة، في تقدير إليتزور، يجب أن يكون لها طاقة سالبة وكتلة سالبة تسمح لها بإلغاء نظيراتها المضادة لها.
ولذا، بالرغم من أن وجهة النظر التقليدية تجاه التراكب، والتي ترى وجود ’’مكانين في آن واحد‘‘، قد تبدو غريبةً بما فيه الكفاية، فوفق إليتزور ’’يُحتمل أن يكون التراكب عبارة عن مجموعة من الحالات الأكثر جنونًا من هذا، وميكانيكا الكم تعطيك فكرة عن متوسطهم فحسب‘‘. ويشير إليتزور إلى أنه حينها يتيح الاختيار اللاحق عزل البعض فقط من تلك الحالات وفحصها بدرجة وضوح أعلى. ووفق إليتزور أيضًا هذا التفسير للسلوك الكمّي من شأنه أن يكون تفسيرًا ’’ثوريًّا‘‘؛ لأنه قد يستتبع مجموعةً متنوعةً وغير متوقعة حتى الآن من الحالات الواقعية (والغريبة للغاية مع هذا) الكامنة وراء الظواهر الكمّية المخالفة لما هو بَدَهي.
يقول الباحثون إن إجراء التجربة الفعلية سوف يستلزم الضبط الدقيق لأداء موجهاتهم الكمّية، ولكنهم يأملون أن يكون نظامهم جاهزًا للعمل خلال مدة تتراوح بين ثلاثة أشهر وخمسة. إلا أنه في الوقت الحالي لا يمكن القول إن بعض المراقبين ينتظرون الأمر بفارغ الصبر، ليس تمامًا. يقول وارتون: ’’سوف تنجح هذه التجربة حتمًا‘‘. ولكنه يضيف أنها ’’لن تقنع أي أحد بأي شيء؛ إذ إن النتائج يتم التنبؤ بها عبر ميكانيكا الكمّ القياسية‘‘. بمعنى آخر، لن يكون هناك سبب إلزامي لتفسير المحصِّلة النهائية من زاوية TSVF بدلًا من إحدى الطرق المتعددة الأخرى التي يفسر من خلالها الباحثون السلوك الكمي.
ويتفق إليتزور مع الفكرة التي مفادها أن تجربتهم كان يُمكن تصوُّرها باستخدام المنظور التقليدي لميكانيكا الكمّ، الذي ساد في عقود ماضية -ولكن هذا لم يحدث قَط. ويتساءل إليتزور: ’’أليس هذا مؤشرًا جيدًا على معقولية TSVF؟‘‘، إذا اعتقد شخص ما أنه يستطيع صياغة صورةٍ مختلفة عمّا ’’يحدث حقًّا‘‘ في هذه التجربة باستخدام ميكانيكا الكمّ القياسية، فوفق إليتزور: ’’حسنًا، دعه يمضي قدمًا!‘‘.
بیگ بنگ: جایزه نوبل فیزیک در سال ۲۰۲۲به آلن اسپکت (فرانسوی)، جان.اف.کلوزر (آمریکایی) و آنتون زایلینگر (اتریشی) تعلق گرفت که بر روی در هم تنیدگی کوانتومی کار میکنند.
در بیانیه هیأت داوران آمده است که این جایزه «برای آزمایشها با فوتونهای درهم تنیده، اثبات قضیه بل و پیشگامی در علم اطلاعات کوانتومی» به این سه دانشمند اعطا شد. جایزه نوبل به ارزش ۱۰ میلیون کرون سوئد (۹۰۲ هزار و ۳۱۵ دلار) از طرف آکادمی سلطنتی علوم سوئد اعطا میشود.
آلن اسپکت، جان کلازر و آنتون زیلینگر با استفاده از آزمایشهای پیشگامانه، پتانسیل بررسی و کنترل ذراتی را که در حالتهای درهمتنیده هستند، نشان دادهاند. اتفاقی که برای یک ذره درهم تنیده رخ میدهد، تعیین میکند که چه اتفاقی برای دیگری بیفتد، حتی اگر این دو ذره بسیار از هم دور باشند روی یکدیگر مستقیما تأثیر بگذارند.
در هم تنیدگی کوانتومی یک پدیده قدیمی و رازآلود با این معنا است که برخی ذرات، مثل ذرات فوتونها و الکترونها، میتوانند “یک بار” بر یکدیگر اثر متقابل بگذارند ولی همچنان حتی پس از جدایی، کیفیت هایی نظیر چرخش یا قطبی شدگیشان مشترک باشد و “با تغییر حالت یکی، دیگری نیز تغییر کند.”در مكانيك كوانتومي، درهمتنيدگي يكي از رفتارهاي عجيب ذرات است كه در آن قوانين فيزيك كلاسيك شكسته ميشوند و رويدادهاي ناممكن به وقوع ميپيوندند. درهمتنیدگی که اینشتین از آن با عنوان “عمل شبحوار در یک فاصله” یاد میکند، پدیدهای است که در آن دو ذره به عنوان یک سیستم عمل میکنند حتی هنگامی که فاصلۀ زیادی از هم داشته باشند.
اینشتین دریافت که براساس نظریه کوانتومی باید مابین ذراتی که حداقل یکبار با یکدیگر برهمکنش داشتهاند، نوعی ارتباط اسرارآمیز درونی برقرار شود، به گونهای که اگر ویژگیهای کوانتومی یکی از این ذرات را تغییر دهیم، مابقی آنها صرف نظر از اینکه در چه فاصلهای از ذره اول قرار گرفته اند- و مثلا یک متر با ذره مزبور فاصله دارند یا یک میلیارد سال نوری- بلافاصله و بطور آنی از این تغییر، تاثیر میپذیرد!
“آلن اسپکت” استاد فیزیک ۷۵ ساله فرانسوی، تنظیماتی را برای بستن یک خلاء مهم ایجاد کرده است. او توانست تنظیمات اندازهگیری را پس از خروج یک جفت درهمتنیده از منبع خود تغییر دهد، بنابراین تنظیماتی که هنگام انتشار وجود داشت، نمیتوانست روی نتیجه تأثیر بگذارد.
“جان کلازر” فیزیکدان ۷۹ ساله آمریکایی، نیز دستگاهی ساخته است که دو فوتون درهمتنیده را همزمان ساطع میکند و هر کدام به سمت فیلتری که قطبش آنها را آزمایش میکند، روانه میشوند. نتیجه نیز نقض آشکار نابرابری بِل و مطابق با پیشبینیهای مکانیک کوانتومی بود.
“آنتون زیلینگر” استاد فیزیک ۷۷ ساله دانشگاه وین، نیز در مورد حالتهای کوانتومی درهمتنیده تحقیق کرده است. گروه تحقیقاتی او پدیدهای به نام “تِلهپورت کوانتومی” را نشان داده است که امکان جابجایی حالت کوانتومی از یک ذره به ذره دیگر را در فاصلهای دور فراهم میکند.
به عبارت دیگر، برندگان جایزه نوبل ۲۰۲۲ در رشته فیزیک، آزمایشهای پیشگامانهای را با استفاده از حالتهای کوانتومی درهمتنیده انجام دادند که در آن دو ذره حتی زمانی که از هم جدا میشوند، مانند یک ذره واحد عمل میکنند. کمیته اعطاکننده جوایز نوبل اعلام کرد: «پژوهش این دانشمندان اگر چه جداگانه انجام شده، اما در زمینه کشف پدیدههای ناشناخته با هم پیوند دارند.»
توسعه ابزارهای آزمایشی برندگان جایزه نوبل فیزیک امسال، پایه و اساس عصر جدیدی از فناوری کوانتومی را بنا نهاده است. موضوع درهمتنیدگی کوانتومی میتواند برای توسعه ارتباطات رمزگذاری شده ایمن نیز استفاده شود.
سایت علمی بیگ بنگ / منبع: nobelprize.org
********************
سایت دیپ لوک
این هفته و به رسم همیشگی هفته اول اکتبر، برندگان جوایز نوبل معرفی شدند. در این میان، جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۲ به سه فیزیکدانی رسید که شاید کمتر کسی در دنیای فیزیک آنها را نشناسد و البته حوزهی کاری آنها این روزها، احتمالا داغترین و فناورانهترین مفهوم کوانتومی به شمار میآید: درهم تنیدگی کوانتومی . آنها درهم تنیدگی کوانتومی را در زمانهای ثابت کردند که همه در واکنش به کار آنها، فقط شانههای خود را بالا انداختند! پیشبرندهی برندگان جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۲ ، کنجکاوی، مهارت و سرسختی بود. وقتی فیزیکدان جوان جان کلاوسر به استاد دکترایش گفت میخواهد نظریه کوانتومی را آزمایش کند تا ببینید آیا رفتار ذرات همبسته باقی میماند یا نه، استادش به او گفت به دنبال موضوعات «فلسفی» نرود، اما مدتهاست که ثابت شده استادش در اشتباه بوده! نوشتار زیر ترجمهی مقالهای به قلم دیوید کایزر (David Kaiser)، استاد فیزیک و تاریخ علم در MIT، است که در وبسایت ناتیلوس منتشر شده است. با دیپ لوک همراه باشید…
من عادت دارم هر سال در اولین سه شنبه ماه اکتبر خیلی زود از خواب بیدار شوم؛ زمانی که آکادمی سلطنتی علوم سوئد برندگان جدید جایزه نوبل فیزیک را اعلام میکند. حدود ده سال است که این کار را به امید شنیدن یک اعلامیه خاص انجام میدهم و امسال بالاخره آن سال خاص بود!
برندگان جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۲ جان کلاوسر (John Clauser)، آلن اسپکت (Alain Aspect) و آنتون زیلینگر(Anton Zeilinger)، پیشگامان مطالعه درهم تنیدگی کوانتومی، یکی از فریبندهترین ویژگیهای نظریه کوانتومی هستند. آلبرت اینشتین و همکارانش در دهه ۱۹۳۰ به شناسایی این مفهوم کمک کردند، اما آن را رد کردند و بسیار عجیب غریب و دور از واقعیت دانستند. سی سال بعد، فیزیکدان جان بل، روشی مبتکرانه برای طراحی آزمایشی معرفی کرد که ممکن است چنین رفتار عجیب و غریبی را تایید یا رد کند.
نظریه کوانتومی پیشبینی میکند که اگر دو یا چند ذره به روش خاصی آماده شوند، حتی پس از اینکه از هم دور شدند، رفتار آنها باید همبسته باقی بماند. اندازهگیری برخی از ویژگیهای ذره A و ذره B باید رفتار خاصی نشان دهد، حتی اگر چند سال نوری از هم فاصله داشته باشند. آزمایشهایی که بل در ذهن داشت، هوشمندانه بودند و همچنین امکانپذیر به نظر میرسیدند: نیازی به ساخت یک شتابدهنده ذرات عظیم یا پرتاب یک ماهواره جدید عظیم نبود. با این حال، سالها گذشت تا فیزیکدانان دیگر، حتی به مقاله بل استناد کنند، چه رسد به اینکه آستین بالا بزنند و آن را اجرا کنند.
یکی از اولین کسانی که با بل تماس گرفت، جان کلاوسر جوان بود. کلاوسر هنگام مرور مجلات در کتابخانه به عنوان دانشجوی فارغالتحصیل به طور تصادفی به مقاله بل برخورد کرد و هیجانزده از آنچه خوانده، نزد استاد راهنمای خود رفت که به وی پیشنهاد کند آزمایش پیشنهادی بل را انجام دهند. استاد او با توصیهای ناامیدکننده (اما قطعا با نیت خوب) چنین پاسخ داد: به موضوعات اصلیتر پایان نامه بچسبید، موضوعات «فلسفی» مانند درهم تنیدگی را دنبال نکنید.
با این حال، چند سال بعد، در حالی که کلاوسر در حال آماده شدن برای دورهی پسادکترای خود در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی بود، به بل نامه نوشت تا بپرسد آیا فیزیکدانان دیگر چنین آزمایشاتی را در این مدت انجام دادهاند یا خیر. بل بعدها یادآور شد که نامه کلاوسر اولین باری بود که یک فیزیکدان تجربی به کار وی علاقه نشان میداد. بل به سرعت پاسخ داد که اگر کلاوسر بتواند رفتاری متفاوت از پیشبینی های کوانتومی را اندازهگیری کند، جهان را منقلب خواهد کرد!
کلاوسر و استوارت فریدمن (که آن زمان دانشجویی فارغالتحصیل بود) با تشویق بل، و البته در کنار انتقادات تعدادی از همکارانشان، شروع به انجام اولین آزمون بل کردند. آنها پس از جستجوی وسایل لازم، موفق به جمعآوری دادهها در مورد هزاران جفت ذره شدند و دقیقاً رفتار همبسته پیشبینی شده توسط نظریه کوانتومی را پیدا کردند. آنها نتایج خود را در سال ۱۹۷۲ در یک مجله برجسته منتشر کردند و سپس … هیچ! سال بعد، ارجاع به کار بل، که قبلا هم خیلی کم بود، به بیش از نصف کاهش یافت. برخی از رهبران دانشگاهی تردید داشتند که آیا تحقیقات مربوط به درهم تنیدگی، «فیزیک واقعی» محسوب میشود یا نه.
یک اقیانوس آنوَرتر، درست خارج از پاریس، آلن اسپکت نیز شیفتهی درهم تنیدگی کوانتومی شده بود. او نیز مانند کلاوسر آرزوی انجام آزمایش بل را در آزمایشگاه داشت. جاهطلبی اصلی او انجام آزمایشی بود که بتواند فوراً درهمتنیدگی را نشان دهد. او به سرن ژنو، جایی که بل کار میکرد، رفت تا از خود بل بپرسد آیا چنین آزمایشی ارزش دارد یا نه. اولین سوال بل این بود: «آیا یک کار دائمی دارید؟»؛ چرا که موضوع درهم تنیدگی همچنان در حاشیه بود.
اسپکت نیز مانند کلاوسر روی این موضوع پافشاری کرد. او در یک آزمایش فوقالعاده با همکارانش در سال ۱۹۸۲ از سوئیچهای بسیار سریعی استفاده کرد که میتوانستند مسیر هر ذره را در راه دستگاههای اندازهگیری تغییر دهند. سوئیچها ۱۰۰ میلیون بار در ثانیه عقب و جلو میرفتند. آشکارسازی که یک ذره معین به سمت آن هدایت میشد در حالی که آن ذره در حال پرواز بود، تعیین شد. علاوه بر این، دو ایستگاه اندازهگیری به اندازهای از هم فاصله داشتند که نمیشد اطلاعات یک طرف آزمایش اسپکت را قبل از تکمیل اندازهگیریهای هر دو ذره، به طرف دیگر مخابره کرد. اسپکت و همکارانش نزدیک به یک تریلیون جفت ذره را از طریق دستگاه فرستادند و آنها نیز دقیقاً همانطور که نظریه کوانتومی پیش بینی کرده بود، همبستگی های شبحوار را دیدند!
درست مانند آزمایش کلاوسر در یک دهه قبل، همه در برابرآزمایش زیبای اسپکت شانه بالا انداختند. بنابراین وی تا چند سال بعد، به دلیل بیتفاوتی بسیاری از همکارانش نسبت به موضوعاتی مانند درهم تنیدگی، بر حوزههای دیگر فیزیک تمرکز کرد.
سومین دریافت کننده جایزه امسال، یعنی آنتون زیلینگر، سرسختی، نبوغ و پشتکاری مانند دو فیزیکدان قبلی نشان داد. او با چند همکارش، کار بل را به سه یا چند ذره درهم تنیده گسترش داد. در دهه ۱۹۹۰، او و گروهش برای اولین بار موفق شدند یک حالت درهم تنیده را از راه دور منتقل کنند و رفتار همبسته خاص را به ذره سوم منتقل کنند. اندکی پس از آن، گروه او همبستگی بین ذرات را حتی پس از فاصله ۱۰۰ مایلی از هم اندازه گرفتند.
زیلینگر نیز حتی زمانی که بسیاری از همکارانش درهم تنیدگی را یک موضوع کماهمیت میدانستند، به کار خود ادامه داد. در واقع، او چندین دهه تلاش خستگیناپذیری برای تقویت تستهای بل و چندین آزمایش پیشگام مختلف انجام داد. دوستانم اندی فریدمن، جیسون گالیکیو، آلن گوث و من این شانس را داشتیم که با زیلینگر و گروهش در برخی از آزمایشهای اخیرش همکاری کنیم. در آزمایشهای «بل کیهانی»، ما خود جهان را به یک جفت مولد اعداد تصادفی تبدیل کردیم.
بسیار جالب است که دستاوردهای کلاوسر، اسپکت و زیلینگر اکنون فراتر از سوالات فلسفی در مورد چگونگی کارکرد جهان است. امروزه در سرتاسر جهان، سرمایههای تحقیقاتی در زمینه علوم اطلاعات کوانتومی بیش از یک میلیارد دلار در سال است که شامل آزمایشگاههای دانشگاهی، امکانات دولتی و تلاشهای صنعتی میشود. فناوریهای نسل بعدی مانند رمزگذاری کوانتومی و محاسبات کوانتومی اکنون با تبدیل درهم تنیدگی به یک منبع (نه فقط یک کنجکاوی) ساخته میشوند.
ماکس پلانک، که بیش از یک قرن پیش به ایجاد نظریه کوانتومی کمک کرد، با کنایهی معروفی گفت که ایدههای علمی جدید با متقاعد کردن شکاکان پیروز نمیشوند، بلکه در نهایت منتقدان میمیرند و نسل جدیدی رشد میکنند که تصورات عجیب و غریب برایشان آشنا به نظر میرسد [این مسئله، موضوع دومین ویژهنامه دیپ لوک به نام «این ایده باید بمیرد» بود و از قضا همین نقل قول پلانک، انتخاب ما به عنوان حسن ختام ویژهنامه بود]. خوشبختانه آلن اسپکت، جان کلوزر و آنتون زایلینگر مجبور نبودند آنقدر منتظر بمانند. با این وجود، برنده شدن نوبل فیزیک ۲۰۲۲، نشاندهنده پایان یک سفر نیم قرنی برای آنهاست. آنها با کنجکاوی و مهارت، تمام تلاش خود را کردند و هرگز چشمانداز طولانی ایدههایشان را نادیده نگرفتند.