پژوهشگران دانشگاه لینشوپینگ موفق شده‌اند ارتباط نظری بین مکانیک کوانتومی و نظریه اطلاعات را به‌صورت تجربی تأیید کنند. این کشف علمی، اصل مکملیت را با مفهوم عدم قطعیت آنتروپیک پیوند داده و موجب تحولی در درک ما از دوگانگی موج-ذره شده است. این پیشرفت همچنین راه را برای بهبود ارتباطات کوانتومی، رمزنگاری و محاسبات کوانتومی هموار می‌کند.
انقلابی در فهم ما از دوگانگی موج-ذره
پژوهشگران دانشگاه لینشوپینگ، به همراه همکارانی از لهستان و شیلی، اعتبار تجربی یک نظریه ده ساله را نشان داده‌اند. این نظریه، اصل مکملیت مکانیک کوانتومی را با عدم قطعیت آنتروپیک نظریه اطلاعات مرتبط می‌کند. این پژوهش که در Science Advances منتشر شده، فهم ما از مکانیک کوانتومی را ژرف‌تر می‌کند. همچنین، پتانسیل بالایی برای فناوری‌های آینده در ارتباطات کوانتومی، رمزنگاری کوانتومی و مترولوژی کوانتومی دارد.
سفری تاریخی: از نیوتن تا کوانتوم
مفهوم دوگانگی موج-ذره قرن‌هاست که دانشمندان را شگفت‌زده کرده است. در قرن هفدهم، اسحاق نیوتن بیان کرد که نور از ذرات تشکیل شده است. در همان زمان، دانشمندان دیگر بر این باور بودند که نور مانند موج رفتار می‌کند. نیوتن در نهایت پیشنهاد داد که نور ممکن است هر دو ویژگی را داشته باشد، هرچند شواهد قطعی نداشت.
در قرن نوزدهم، آزمایش‌ها ویژگی‌های موجی نور را نشان دادند و ظاهراً به این بحث خاتمه دادند. اما در اوایل قرن بیستم، این دیدگاه تغییر کرد. ماکس پلانک و آلبرت انیشتین نظریه موجی بودن نور را به چالش کشیدند. آنها پیشنهاد کردند که نور ویژگی‌های ذره‌ای نیز دارد. در دهه ۱۹۲۰، آرتور کامپتون شواهدی از انرژی جنبشی نور – یک ویژگی کلاسیک ذره – ارائه داد. این یافته، مفهوم وجود نور هم به صورت موج و هم به صورت ذره را تثبیت کرد. این دوگانگی فراتر از نور است و شامل الکترون‌ها و سایر ذرات بنیادی نیز می‌شود.
اصل مکملیت و عدم قطعیت آنتروپیک
یکی از چالش‌های اصلی در مکانیک کوانتومی، عدم امکان مشاهده همزمان ویژگی‌های موج و ذره در یک فوتون است. این محدودیت توسط اصل مکملیت نیلز بور توضیح داده می‌شود. این اصل در اواسط دهه ۱۹۲۰ معرفی شد. بر اساس این اصل، ترکیب مشاهده شده از ویژگی‌های موج و ذره، صرف‌نظر از روش اندازه‌گیری، ثابت می‌ماند.
در سال ۲۰۱۴، پژوهشگران سنگاپوری به صورت ریاضی اصل مکملیت را با عدم قطعیت آنتروپیک مرتبط کردند. عدم قطعیت آنتروپیک معیاری از اطلاعات ناشناخته در یک سیستم کوانتومی است. آنها نشان دادند که هر ویژگی موج یا ذره اندازه‌گیری نشده سیستم کوانتومی، حداقل یک بیت اطلاعات ناشناخته دارد.
تأیید تجربی در دانشگاه لینشوپینگ
با تکیه بر این بنیان نظری، پژوهشگران دانشگاه لینشوپینگ آزمایشی طراحی کردند تا یافته‌های تیم سنگاپوری را تأیید کنند. در این آزمایش از فوتون‌هایی با تکانه زاویه‌ای مداری – یک حرکت دایره‌ای – استفاده شد. این روش با حرکت نوسانی سنتی متفاوت است. این انتخاب، کاربردی بودن آزمایش را برای آینده افزایش می‌دهد، زیرا تکانه زاویه‌ای مداری می‌تواند اطلاعات بیشتری را رمزگذاری کند.
این آزمایش از یک تداخل‌سنج استفاده کرد. تداخل‌سنج دستگاهی است که معمولاً در تحقیقات کوانتومی استفاده می‌شود. فوتون‌ها به سمت یک تقسیم‌کننده پرتو کریستالی هدایت شدند. این تقسیم‌کننده، مسیر فوتون‌ها را به دو مسیر جداگانه تقسیم می‌کرد. سپس این مسیرها در یک تقسیم‌کننده پرتو دوم منعکس و دوباره ترکیب شدند. در آنجا، اندازه‌گیری‌ها مشخص می‌کردند که آیا فوتون‌ها به صورت موج، ذره یا ترکیبی از هر دو رفتار می‌کنند.
نکته متمایزکننده این آزمایش، توانایی پژوهشگران در قرار دادن جزئی تقسیم‌کننده پرتو دوم در مسیر فوتون بود. این تنظیم خاص به آنها اجازه می‌داد تا ویژگی‌های موج و ذره را همزمان اندازه‌گیری کنند.
پیامدهایی برای فناوری کوانتومی
یافته‌های این پژوهش پیامدهای گسترده‌ای دارد:
- ارتباطات کوانتومی: این تنظیمات تجربی می‌تواند برای توزیع ایمن کلیدهای رمزگذاری استفاده شود. این امر، جنبه مهمی از رمزنگاری کوانتومی است.
- مترولوژی کوانتومی: با استفاده از اصول نشان داده شده در آزمایش، می‌توان به دقت بیشتری در سیستم‌های اندازه‌گیری دست یافت.
- تحقیقات بنیادی: فراتر از کاربردهای عملی، این آزمایش راه‌های جدیدی را برای کاوش در ماهیت بنیادی مکانیک کوانتومی باز می‌کند.
گیلمهر بی خاویر، پژوهشگر دانشگاه لینشوپینگ، توضیح می‌دهد: “این آزمایش راهی مستقیم برای مشاهده رفتار مکانیکی کوانتومی پایه است. در حالی که نمی‌توانیم به طور کامل آنچه را که در داخل آزمایش اتفاق می‌افتد تصور کنیم، پیامدهای آن برای کاربردهای عملی هم جذاب و هم عمیق است.”
نگاهی به آینده
این تیم در حال برنامه‌ریزی آزمایش‌های بعدی است. آنها می‌خواهند چگونگی رفتار فوتون‌ها هنگام تنظیمات کریستال دوم، لحظاتی قبل از رسیدن به آن را بررسی کنند. این می‌تواند کاربرد این تنظیمات را در ارتباطات ایمن و توزیع کلید رمزگذاری بیشتر تأیید کند. دنیل اشپیگل-لکسنه، دانشجوی دکترای درگیر در این پروژه، می‌گوید: “کاربردهای بالقوه این تنظیمات تجربی در فناوری‌های کوانتومی بسیار هیجان‌انگیز است.”
نتیجه‌گیری
آزمایش پیشگامانه دانشگاه لینشوپینگ، دهه‌ها پژوهش نظری و تجربی را به هم پیوند می‌دهد. این آزمایش، بینش‌های جدیدی را در مورد یکی از گیج‌کننده‌ترین پدیده‌های مکانیک کوانتومی، یعنی دوگانگی موج-ذره، ارائه می‌دهد. این پژوهش با ادغام اصول مکانیک کوانتومی با نظریه اطلاعات، فهم ما از دنیای کوانتوم را ژرف‌تر می‌کند. همچنین، زمینه را برای پیشرفت‌های متحول‌کننده در فناوری و علم فراهم می‌کند.
اگر به خواندن کامل این مطلب علاقه‌مندید، روی لینک مقابل کلیک کنید: scitechdaily
