دانشمندان برای اولین بار موفق به ثبت تصویری از درهم تنیدگی کوانتومی شدند

برای اولین بار در تاریخ، دانشمندان موفق به ثبت یک تصویر از درهم تنیدگی کوانتومی (Quantum entanglement) شدند. در مقاله ای که در مجله Scientific Advances منتشر شده است، دانشمندان دانشگاه گلاسکو اولین تصویر ثبت شده از درهم تنیدگی بل را به اشتراک گذاشتند. این عکس دو فوتون نوری را نشان می دهد که جدا از فاصله ای که از هم دارند، برای لحظاتی با یکدیگر تعامل می کنند و ویژگی های فیزیکی شان را به اشتراک می گذارند.

آلبرت اینشتین درهم تنیدگی کوانتومی را «مرموز» توصیف کرده بود

در دنیای مکانیک کوانتوم، یک جفت نزدیک می توانند به دو قسمت تقسیم شده و به مقدار قابل توجهی از یکدیگر دور شوند، اما همچنان به طرز عجیبی با یکدیگر درهم تنیده باشند؛ حالتی آنقدر عجیب که آلبرت اینشتین خودش آن را «مرموز» توصیف کرده بود. واقعا هم مرموز است. حالا درهم تنیدگی کوانتومی برای اولین بار قابل مشاهده است. البته کمی عجیب است که چنین تصویری تا الان ثبت نشده بود، زیرا همین حالا هم از درهم تنیدگی بل در زمینه هایی مانند پردازش کوانتومی و رمزنگاری استفاده می شود.

این دانشمندان آزمایشی پیچیده طراحی کردند تا بتوانند چنین اتفاقی را در یک عکس ثبت کنند. یک جفت فوتون از یک لیزر پرتاب شدند و پس از جدا شدن، مسیرهای بسیار متفاوتی را طی کردند و سپس به وسیله یک دوربین مخصوص از آن ها عکس گرفته شد. عکس های گرفته شده به طور پیوسته فوتون ها را در حالتی نشان می داد که انگار متصل بودند و با تقلید از یکدیگر، یک حلقه تشکیل می دادند.

دکتر «Paul-Antoine Moreau» از دانشکده فیزیک و اخترشناسی دانشگاه گلاسکو، و یکی از نویسندگان این مقاله درباره تصویر ثبت شده گفته است: «تصویری که ما ثبت کردیم برای اولین بار و به زیبایی یکی از ویژگی های اساسی طبیعت را نمایش می دهد.»

همین حالا از درهم تنیدگی بل در پردازش کوانتومی و رمزنگاری استفاده می شود

برای درک بهتر این آزمایش، تصور کنید شما و یکی از دوستانتان به طور هم زمان وارد دو سرسره آبی متفاوت می شوید. سرسره دوستتان شامل یک مسیر باریک و مستقیم است و او تمام آن را در حالی که پاهایش رو به پایین قرار دارند طی می کند و به همین شکل هم وارد استخر می شود. اما سرسره شما مسیری پهن و پر پیچ و خم دارد و شما را آنقدر می چرخاند که دست آخر با سر به کف استخر برخورد می کنید. اما وقتی یک دوربین لحظه برخورد شما دو نفر به کف استخر را به طور هم زمان ثبت می کند، جهت جفتتان عینا شبیه وضعیتی است که سوار سرسره شده بودید.

این آزمایش در واقع شامل گرفتن چهار عکس مختلف از فوتون ها در حالتی بود که چهار تغییر فاز مختلف را تجربه می کردند. تصویر کامل را می توانید در زیر مشاهده کنید:

جفت جدا شده دچار تغییر فاز مشابه می شد، با اینکه از کریستال مایع عبور نکرده بود

آنچه شاهدش هستیم ترکیبی از چند عکس مختلف است که از فوتون ها در حالی که مجموعه ای از چهار تغییر فاز مختلف را تجربه می کردند گرفته شده است. عملاً فیزیکدانان فوتون های درهم تنیده را از هم جدا کردند و یکی از پرتوها را از کریستال مایع ماده ای به نام بتا باریم بورات (β-Barium Borate) عبور دادند که منجر به چهار تغییر فاز شد. در همین حین، از جفت جدا شده به شکل هم زمان عکاسی کردند و متوجه شدند جفت جدا شده دچار تغییر فاز مشابهی می شد، با اینکه از کریستال مایع عبور نکرده بود.

در تصویر زیر کلیت آزمایش نشان داده شده است. پرتو در هم تنیده از گوشه پایین سمت چپ وارد می شود، سپس نصف جفت در هم تنیده که جدا شده به سمت چپ می رود و از چهار فیلتر تغییر فاز عبور می کند. دیگری مسیر مستقیم خود را بدون رد شدن از فیلترها طی می کند، اما دچار تغییر فازهای مشابه جفت خود می شود.

دوربین قادر بود از این دو فوتون به شکل هم زمان عکاسی کند و نشان دهد که با وجود جدا بودن، به طور یکسان تغییر کرده بودند. به عبارت دیگر، آن ها دارای درهم تنیدگی کوانتومی بودند.

با اینکه اینشتین درهم تنیدگی کوانتومی را به شهرت رساند، یک دانشمند دیگر به نام «جان استوارت بل» به تعریف درهم تنیدگی کوانتومی کمک کرد و آزمایشی به نام نابرابری بل (قضیه بل) را تعریف کرد. در واقع اگر موفق به رد این فرضیه شوید، درهم تنیدگی کوانتومی را تایید کرده اید.

این تیم در مقاله اش نوشته: «اینجا ما گزارش آزمایشی را می دهیم که توسط چند عکس نابربری بل را به چالش می کشد. این نتایج علاوه بر باز کردن راهی برای طرح های جدید تصویربرداری کوانتومی، وعده برنامه هایی برای اطلاعات کوانتومی بر اساس متغیرهای محیطی را نیز می دهد.»

متن کامل این آزمایش را می توانید در مجله Science Advances مطالعه کنید.