آشکارسازی فوتون بدون تخریب آن !

[∆ MeRzaD ∆]

یکی از مبانی نظریه کوانتوم این اصل است که نمی‌توانید هیچ یک از ویژگی‌های شی را بدون تحت تأثیر قرار دادن خود شی اندازه‌گیری کنید. در حقیقت، آشکارسازی وجود فوتون تاکنون به معنای تخریب آن بوده است. بااین‌حال، فیزیک‌پیشگان روشی را برای آشکارسازی تک‌فوتون‌های نور مرئی، بدون تخریب آن‌ها پیشهاد کرده‌اند. برخی دیگر این کار را با فوتون‌های مایکروویو انجام داده‌اند، اما این اولین باری است که این کار در طیفی انجام شده است که می‌تواند برای «اینترنت کوانتومی» در آینده حائز اهمیت باشد.

دیدن لینک ها برای شما امکان پذیر نیست. لطفا ثبت نام کنید یا وارد حساب خود شوید تا بتوانید لینک ها را ببینید.
[i]اندازه‌گیری ویژگی‌های فوتون‌ها معمولاً مستلزم جذب آن‌ها است، اما وسیله‌ای جدید مسیر عبور آن‌ها را بی آن‌که حالت آن‌ها را تغییر دهد، آشکارسازی می‌کند. [/i]

روش معمول برای آشکارسازی تک‌ذرات نور، گیر انداختن آن‌ها با سنسوری است که انرژی آن را جذب می‌کند اما در طول این فرایند ذره تخریب می‌شود. در سال‌های اخیر فیزیک‌پیشگان روش‌هایی را برای استخراج بخشی از اطلاعات از حالت کوانتومی ذره ابداع کرده‌اند، برای مثال نشان دادنِ این‌‌که احتمال بودن در جایی بیشتر از جایی دیگر است، که مجموعه‌ای از راه‌کارها است که به نام اندازه‌گیری ضعیف شناخته می‌شود. اما برای انجام چنین کاری، آن‌ها مقدار اطلاعاتی را که توسط خودِ حالت کوانتومی منتقل می‌شود، کاهش می‌دهند.

Stephan Ritter یکی از فیزیک‌پیشگان مؤسسه ماکس پلانک در زمینه اپتیک کوانتومی در Garching، آلمان و یکی از نویسندگان مشترک این مقاله می‌گوید، در عوض روش جدید معلوم می‌‌کند که آیا اصلاً فوتون وجود دارد، درعین‌حال که مابقی اطلاعات کوانتومی را دست‌نخورده بر جای می‌گذارد. او چنین توضیح می‌دهد: پژوهشگران ردی از فوتون («پاکتی» حاوی اطلاعات) را مشاهده می‌کنند، و بی آن‌که آن‌چه را که داخل آن است، بخوانند، آن را عبور می‌دهند.

این امر می‌تواند برای کاربردهایی مانند شبکه‌های کوانتومی، که انتقال داده‌ها را با رمزگذاری غیرقابل‌شکست تضمین می‌کند، مفید باشد، اما مستلزم آن است که حالت‌های کوانتومی حساس بدون اختلال منتقل شوند. شبکه‌های کوانتومی اطلاعات را در بیت‌های کوانتومی، یا کیوبیت‌ها رمزنگاری می‌کنند، که می‌توانند چندین حالت را هم‌زمان اشغال کنند، زیرا آن‌ها در آنِ واحد در جهان‌های موازی با تاریخچه‌هایی مجزا در حال زندگی بوده‌اند. بنابراین، بر خلاف بیت‌های حامل اطلاعات در رایانه‌های معمول، کیوبیت‌ها می‌توانند در آنِ واحد در برهم‌نهشی از «صفر» و «یک» باشند. اما هر گونه اختلال کیوبیت‌ها را به انتخاب یکی از این دو حالت وادار می‌کند، و اطلاعات کامل‌تر آن را پاک می‌کند.

ترفند اپتیکی

در آزمایش آن‌ها، که در Science توضیح داده شد،1 Ritter و هم‌کاران، حفره‌ای اپتیکی شامل دو آینه مقابل هم ترتیب دادند، که تنها نیم میلی‌متر از یکدیگر فاصله داشتند، بدین ترتیب آن‌ها می‌توانستند فوتون‌هایی با مقادیر انرژی «تشدید» ویژه‌ای را میان آن‌ها محبوس کنند. داخل آن، این گروه، تک‌اتمی را با برهم‌نهشی از دو حالت گیر انداختند، یکی از آن‌هایی که با حفره تشدید داشتند. اتم در این حالت تشدید مانع از ورود فوتون‌هایی با همان انرژی می‌شود.

هنگامی که این گروه فوتون را به حفره پرتاب کردند، ماهیت دوگانه اتم موجب شد دو اتفاق هم‌زمان رخ ‌دهد. در یکی از «جهان‌های موازیِ» برهم‌نهی آن، (آن‌جهانی که در آن فوتون با حفره تشدید می‌کرد) فوتون وارد نمی‌شود: فوتون از خارج از یکی از آینه‌ها به بیرون بازپس زده می‌شود. در جهان موازی دیگر، فوتون وارد حفره می‌شود، بین دو آینه جهش می‌کند، و سپس دوباره به همان طریقی که وارد شده، خارج می‌شود. حالت کوانتومی کلی فوتون تحت تأثیر قرار نمی‌گیرد، اما حالت اتم تحت تأثیر قرار می‌گیرد: فاز بین حالت‌های جفت‌شده و جفت‌نشده به اندازه 180 درجه جابه‌جا می‌شود. Ritter توضیح داد که پژوهشگران با مطالعه این جابه‌جایی می‌توانند مسیر فوتون را شناسایی کنند.

Serge Haroche، یکی از فیزیک‌پیشگان دانشگاه فرانسه در پاریس است، که در روشی مشابه در دهه 1990، به عنوان بخشی از پژوهشی که منجر به دریافت جایزه نوبل سال 2012 شد، پیشگام است. با این حال، او و هم‌کارانش توانستند تنها به کاری فوق‌العاده با فوتون‌ها در بازه مایکروویو دست یابند، که برای ارتباطات کوانتومی مناسب نیست.

Philippe Grangier، یکی از فیزیک‌پیشگان مؤسسه اپتیک در Palaiseau، فرانسه می‌گوید ممکن است روش Ritter جعبه ابزار مناسب برای ایجاد تکرارکننده کوانتومی را شکل ‌دهد، که مؤلفه اصلی اینترنت کوانتومی در آینده است.

درهرحال، Gilles Nogues، یکی از فیزیک‌پیشگان مؤسسه Neel در Granoble، فرانسه، که با Haroche در آزمایش‌‌های فوتون-مایکروویو هم‌کاری داشت، می‌گوید این مرحله تا حدی به اتمام رسیده است. برای هر کاربرد کوانتومی، لازم است ابزار مربوطه با فوتون‌ها در برهم‌نهی‌ای از حالت‌ها کار کند، که چیزی است که گروه Ritter آن را نشان داده‌اند. او می‌گوید: «تا زمانی که تنها صفر و یک را اندازه می‌گیرید، اندازه‌گیری‌های غیرمخرب خسته‌کننده هستند. اما به محض آن‌که از آن‌ها به صورت برهم‌نهیِ کوانتومی آن دو مقدار استفاده می‌کنید، جذاب می‌شوند».