دانشمندان دانشگاه پلی‌تکنیک فدرال لوزان (EPFL) موفق به هماهنگ‌سازی شش نوسانگر مکانیکی ماکروسکوپیک در یک حالت کوانتومی جمعی شده‌اند. این حرکت جمعی در نوسانگرهای کوانتومی گامی بزرگ در نمایش عدم تقارن باند کناری کوانتومی است که می‌تواند تحولات شگرفی در فناوری‌های محاسبات کوانتومی و حسگرهای پیشرفته ایجاد کند.
حرکت کوانتومی جمعی: پیشرفتی در فناوری نوسانگرها
فناوری‌های کوانتومی مرزهای علم را گسترش می‌دهند. این فناوری‌ها راه‌های جدیدی برای شناخت و کنترل جهان به ما نشان می‌دهند. یکی از این زمینه‌های پیشرو، مطالعه‌ی نوسانگرهای مکانیکی ماکروسکوپیک است. این نوسانگرها در فناوری‌های روزمره مانند ساعت‌های کوارتز، تلفن‌های همراه و لیزرهای مخابراتی استفاده می‌شوند. در دنیای کوانتوم، این نوسانگرها قابلیت بالایی برای ساخت حسگرهای بسیار حساس و قطعات محاسبات کوانتومی نسل بعدی دارند. با این حال، کنترل جمعی آن‌ها در سطح کوانتومی تاکنون چالشی بزرگ بوده است.
چالش کنترل کوانتومی جمعی
پیش از این، تحقیقات در اپتومکانیک کوانتومی بر نوسانگرهای تکی متمرکز بود. پدیده‌هایی مانند فشرده‌سازی کوانتومی و خنک‌سازی حالت پایه بررسی می‌شدند. این مطالعات مهم هستند، اما پیچیدگی‌های رفتار کوانتومی جمعی را بررسی نکرده‌اند. برای اینکه چندین نوسانگر مانند یک سیستم واحد عمل کنند، باید بسیار شبیه به هم باشند. همچنین باید با دقت بسیار بالایی کار کنند. رسیدن به این هدف سال‌ها برای دانشمندان دشوار بوده است.
موفقیت چشمگیر در EPFL
محققان دانشگاه پلی‌تکنیک فدرال لوزان (EPFL) به سرپرستی توبیاس کیپنبرگ، بر این مانع غلبه کرده‌اند. آن‌ها شش نوسانگر مکانیکی را در یک حالت کوانتومی جمعی هماهنگ کردند. آن‌ها با موفقیت پدیده‌هایی را مشاهده کردند که فقط وقتی نوسانگرها گروهی عمل می‌کنند، ظاهر می‌شوند. این موفقیت در مجله‌ی Science منتشر شده است. این دستاورد پیشرفت بزرگی برای فناوری‌های کوانتومی است. این موفقیت امکان توسعه‌ی سیستم‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ را فراهم می‌کند.
مهدی چگنی‌زاده، نویسنده‌ی اصلی این مطالعه، می‌گوید: «این موفقیت به دلیل نظم بسیار بالای فرکانس‌های مکانیکی در یک پلتفرم ابررسانا امکان‌پذیر شده است. این نظم به سطحی در حدود ۰.۱٪ می‌رسد.» این دقت استثنایی به نوسانگرها اجازه می‌دهد تا هماهنگ عمل کنند. در واقع، نوسانگرها به جای اجزای مستقل، مانند یک موجودیت واحد رفتار می‌کنند.
نقش خنک‌سازی باند کناری
برای رسیدن به این موفقیت، این تیم از خنک‌سازی باند کناری استفاده کردند. این تکنیک برای کاهش نوسانات نوسانگرها به حالت پایه کوانتومی آن‌ها طراحی شده است. حالت پایه، پایین‌ترین سطح انرژی ممکن است. با تاباندن لیزر با فرکانسی کمی پایین‌تر از فرکانس طبیعی نوسانگر، انرژی ارتعاشات آن کاهش می‌یابد و نویز حرارتی به حداقل می‌رسد. این فرآیند دقیق برای مشاهده‌ی اثرات ظریف کوانتومی ضروری است.
از دینامیک فردی تا جمعی
محققان همچنین کوپلینگ بین کاواک مایکروویو و نوسانگرها را افزایش دادند. این کار سیستم را از دینامیک فردی به دینامیک جمعی تغییر داد. مارکو سیگلیوزو، یکی از نویسندگان این مطالعه، می‌گوید: «با آماده‌سازی حالت جمعی در حالت پایه کوانتومی آن، عدم تقارن باند کناری کوانتومی را مشاهده کردیم.» این پدیده نشان‌دهنده‌ی حرکت کوانتومی جمعی است. این پدیده نشان می‌دهد که چگونه رفتار کوانتومی می‌تواند به جای یک نوسانگر، کل سیستم نوسانگرها را در بر بگیرد.
علاوه بر این، آن‌ها افزایش نرخ خنک‌سازی را مشاهده کردند. همچنین حالت‌های مکانیکی «تاریک» نیز ظاهر شدند. این حالت‌ها با کاواک سیستم برهم‌کنش ندارند و انرژی بالاتری را حفظ می‌کنند. این یافته‌ها پیش‌بینی‌های نظری در مورد رفتار کوانتومی جمعی را تأیید می‌کنند و راه‌های جدیدی برای کاوش بیشتر ارائه می‌دهند.
پیامدهایی برای فناوری کوانتومی
کنترل حرکت کوانتومی جمعی در سیستم‌های مکانیکی پیامدهای مهمی دارد. این می‌تواند به پیشرفت‌های انقلابی در حسگرهای کوانتومی منجر شود. همچنین تولید درهم‌تنیدگی چندبخشی را امکان‌پذیر می‌سازد. درهم‌تنیدگی چندبخشی، اساس توسعه‌ی فناوری‌های کوانتومی قدرتمندتر و مقیاس‌پذیرتر است. این تحقیق زمینه را برای نوآوری‌های آینده فراهم می‌کند. همچنین قابلیت‌های متحول‌کننده‌ی مکانیک کوانتومی را در کاربردهای علمی و صنعتی نشان می‌دهد.
نتیجه‌گیری
محققان EPFL با دستیابی به حرکت جمعی در نوسانگرهای ماکروسکوپیک، فصل جدیدی را در مکانیک کوانتومی آغاز کرده‌اند. این موفقیت مفاهیم نظری کلیدی را تأیید می‌کند. همچنین زمینه را برای پیشرفت‌های پیشگامانه در محاسبات کوانتومی و حسگرها فراهم می‌کند. سفر برای استفاده‌ی کامل از قابلیت‌های سیستم‌های کوانتومی گام مهمی به جلو برداشته است.
Reference:
“Quantum collective motion of macroscopic mechanical oscillators” by Mahdi Chegnizadeh et al., Science, 19 December 2024. DOI: 10.1126/science.adr8187
اگر به خواندن کامل این مطلب علاقه‌مندید، روی لینک مقابل کلیک کنید: scitechdaily
