در دنیای کوانتوم، اندازه‌گیری زمان کوانتومی همیشه چالشی بزرگ بوده است. فیزیکدانان به تازگی با استفاده از حالات ریدبرگ (Rydberg states)، روش جدید و پیشگامانه‌ای برای اندازه‌گیری زمان کوانتومی کشف کرده‌اند که نیاز به یک نقطه شروع تعریف‌شده را از بین می‌برد. این تکنیک نوآورانه، الگوهای تداخل بسته‌های موج ریدبرگ را برای ثبت رویدادهای کوانتومی تجزیه و تحلیل می‌کند و دریچه‌ای جدید به سوی درک دقیق‌تر اندازه‌گیری زمان کوانتومی می‌گشاید.
دنیای مکانیک کوانتومی تحت قوانین بسیار متفاوتی نسبت به تجربیات روزمره ما عمل می‌کند. در حالی که ما می‌توانیم به راحتی زمان را با ساعت و کرونومتر اندازه‌گیری کنیم، قلمرو کوانتومی چالش‌های منحصر به فردی را ارائه می‌دهد. در سطح زیر اتمی، مفهوم «اکنون» قطعی، مبهم می‌شود و تعیین یک «آنگاه» دقیق اغلب غیرممکن است. روش‌های سنتی اندازه‌گیری زمان به سادگی نمی‌توانند ماهیت زودگذر و نامطمئن رویدادهای کوانتومی را ثبت کنند. با این حال، یک مطالعه در سال ۲۰۲۲ توسط محققان دانشگاه اوپسالا در سوئد، رویکردی انقلابی برای اندازه‌گیری زمان در این حوزه مرموز را با استفاده از ویژگی‌های منحصر به فرد حالات ریدبرگ آشکار کرده است.
اتم‌های ریدبرگ اساساً غول‌های دنیای اتمی هستند. از طریق تحریک لیزری، الکترون‌های آن‌ها به سطوح انرژی بسیار بالا رانده می‌شوند و در فاصله دوری از هسته می‌چرخند. این فرآیند که اغلب به صورت باد کردن یک اتم مانند بادکنک تجسم می‌شود، یک محیط کوانتومی منحصر به فرد ایجاد می‌کند. در حالی که لیزرها معمولاً برای تحریک الکترون‌ها به حالات انرژی بالاتر برای کاربردهای مختلف استفاده می‌شوند، ایجاد حالات ریدبرگ مزیت متمایزی را برای اندازه‌گیری زمان ارائه می‌دهد.
روش‌های مرسوم «پمپ-کاوشگر» که از یک لیزر برای تحریک الکترون و دیگری برای نظارت بر تغییرات آن استفاده می‌کنند، می‌توانند گذشت زمان را اندازه‌گیری کنند. این روش‌ها برای تعیین سرعت الکترونیک فوق سریع مفید هستند، اما به یک نقطه شروع تعریف‌شده متکی هستند. در مقابل، روش جدید از ماهیت موجی حالات ریدبرگ بهره می‌برد. الکترون‌ها در این حالت‌ها مانند ذرات قابل پیش‌بینی روی چرتکه رفتار نمی‌کنند. در عوض، حرکت آن‌ها شبیه به پرش‌های آشفته و غیرقابل پیش‌بینی یک توپ رولت است.
این رفتار به ظاهر تصادفی توسط یک چارچوب ریاضی که به عنوان بسته موج ریدبرگ شناخته می‌شود، اداره می‌شود. همانطور که امواج در آب هنگام برخورد با یکدیگر الگوهای تداخل ایجاد می‌کنند، بسته‌های موج ریدبرگ متعدد که در یک اتم برهم‌کنش می‌کنند، الگوهای تداخل متمایزی ایجاد می‌کنند. نکته مهم این است که این الگوها به عنوان اثر انگشت منحصر به فرد زمان عمل می‌کنند و مدت زمان خاص تکامل و تعامل بسته‌های موج را منعکس می‌کنند.
محققان دانشگاه اوپسالا نشان دادند که این اثر انگشت‌های زمانی به اندازه کافی سازگار و قابل اعتماد هستند تا به عنوان نوعی ثبت زمان کوانتومی عمل کنند. آن‌ها با تحریک اتم‌های هلیوم با لیزر و مقایسه الگوهای تداخل حاصل با پیش‌بینی‌های نظری، تأیید کردند که این امضاهای منحصر به فرد می‌توانند به طور دقیق نشان‌دهنده مدت زمان‌های خاص باشند. این روش نیاز به یک نقطه صفر تعریف‌شده را از بین می‌برد، که یک مزیت قابل توجه نسبت به روش‌های شمارش سنتی است. همانطور که مارتا برهولتز، فیزیکدان ارشد دانشگاه اوپسالا، توضیح داد: «اگر از یک شمارنده استفاده می‌کنید، باید صفر را تعریف کنید. شما از یک نقطه شروع به شمارش می‌کنید. مزیت این روش این است که لازم نیست ساعت را شروع کنید – فقط به ساختار تداخل نگاه می‌کنید و می‌گویید “خوب، ۴ نانوثانیه گذشته است”.»
این تکنیک نوآورانه ابزاری قدرتمند برای اندازه‌گیری کوانتومی ارائه می‌دهد. با مراجعه به کاتالوگ الگوهای در حال تکامل بسته موج ریدبرگ، دانشمندان می‌توانند به طور مؤثر رویدادهایی را که در مقیاس‌های زمانی فوق‌العاده کوتاه، حتی تا ۱.۷ تریلیونم ثانیه رخ می‌دهند، ثبت کنند. این امر به ویژه در آزمایش‌های پمپ-کاوشگر که تعریف دقیق «اکنون» و «آنگاه» چالش برانگیز یا غیرعملی است، ارزشمند است. تصور کنید زمان یک دونده ناشناس را نه در مقابل یک کرونومتر، بلکه با مقایسه موقعیت او با گروهی از دوندگان که با سرعت‌های مشخص حرکت می‌کنند، اندازه‌گیری کنید. به طور مشابه، مشاهده الگوهای تداخل حالات ریدبرگ به محققان اجازه می‌دهد تا زمان رویدادهای کوانتومی را بدون نیاز به یک نقطه شروع و توقف مرسوم مشخص کنند.
کاربردهای بالقوه این تکنیک اندازه‌گیری زمان کوانتومی بسیار گسترده است. تحقیقات آینده می‌تواند این تکنیک را با استفاده از اتم‌های مختلف علاوه بر هلیوم یا تغییر انرژی پالس لیزر گسترش دهد. این امر یک کتابخانه جامع‌تر از مهرهای زمانی را ایجاد می‌کند که برای طیف وسیع‌تری از شرایط آزمایشی قابل استفاده است. توانایی اندازه‌گیری دقیق زمان در سطح کوانتومی، امکانات جدید هیجان‌انگیزی را برای درک و دستکاری فرآیندهای بنیادی حاکم بر جهان باز می‌کند. این پیشرفت، گامی مهم در توانایی ما برای کاوش در اسرار دنیای کوانتومی است و می‌تواند راه را برای پیشرفت در محاسبات کوانتومی، الکترونیک فوق سریع و سایر فناوری‌های پیشرفته هموار کند.
اگر به خواندن کامل این مطلب علاقه‌مندید، روی لینک مقابل کلیک کنید: sciencealert
