یک تور-د-نیروی تجربی: درهم تنیدگی بین مهره شیشه ای و نور

گرفتن یک مهره شیشه ای برای عمل کردن مانند یک جسم کوانتومی با درهم تنیدگی آن با نور.

نوشتن در مورد درهم تنیدگی کوانتومی همیشه یک چالش است. کلیشه های زیادی وجود دارد که باید از آنها اجتناب کرد: مرموز، شبح آور، شبح آور و عجیب است. درهم تنیدگی هیچ یک از آن چیزها نیست، و با این حال، همه آن چیزها نیز هست - شاید بگویید برهم نهفته‌ای از کلیشه‌ها. بنابراین، پس از حذف تمام کلیشه های من در جمله دوم، بیایید نگاهی بیندازیم به این که چگونه گروهی از محققان موفق شدند یک پرتو نور را با یک مهره شیشه ای در هم ببندند، که رک و پوست کنده، یک دستاورد است.

درهم تنیدگی کوانتومی چیزی بیشتر یا کمتر از این ایده نیست که اگر دو جسم به هم مرتبط باشند، رفتار آنها از جهاتی با هم مرتبط است. برای مثال وحشتناک: بازوی بالایی و پایینی من از نظر موقعیت نسبی بسیار قوی هستند زیرا در آرنج به هم متصل هستند. هیچ کس از این تعجب نمی کند زیرا ما می توانیم ببینیم که آنها در واقع یک جسم واحد به نام بازو هستند.

دو فوتون می توانند به یک معنا به هم متصل شوند، به این معنی که آنها همبستگی دارند. در این مورد، ما (ساده لوحانه) به سه دلیل شگفت زده می شویم. اول، ما فوتون ها را به عنوان اجسام جداگانه ای می دانیم که نمی توانند به هم بپیوندند - این یک اشتباه در درک است. دوم، وقتی دو فوتون را به هم وصل می‌کنیم، آنها را فقط به روش‌های محدودی به هم وصل می‌کنیم: این دو فوتون ممکن است از نظر قطبش کاملاً نامرتبط باشند، اما از نظر انرژی به شدت همبستگی دارند.

سوم وبه طور بحرانی، اتصالاتی که دو فوتون منفرد را به یک جسم واحد تبدیل می‌کنند، تنها در نتایج اندازه‌گیری‌های مخربی که روی فوتون‌ها انجام می‌دهیم قابل مشاهده است. ما نمی توانیم ارتباط را در غیر این صورت ببینیم. این ویژگی آخر (و تا حدی دوم) منحصر به مکانیک کوانتومی است و با تجربه روزمره ما کاملاً بیگانه است.

برای اینکه مشخص شود که آخرین ویژگی چقدر خارج از تجربه ما است، همچنین هیچ تأخیر زمانی در نحوه عملکرد این همبستگی وجود ندارد. حتی اگر دو فوتون درهم تنیده ممکن است با قطر کیهان از هم جدا شوند، اندازه گیری یک فوتون تأثیر فوری بر اندازه گیری فوتون دیگر دارد.

(خیر، نمی توان از این برای ارتباط فوری استفاده کرد. نه، من قصد ندارم دلیل آن را توضیح دهم - به همین دلیل ما یک بخش نظرات داریم.)

یک فوتون را در نظر بگیرید که ما با استفاده از یک حیله هوشمندانه آن را به دو قسمت تقسیم می کنیم. هر فوتون جدید مقداری از انرژی اولیه را حمل می کند. تقسیم خاص انرژی ناشناخته است، بنابراین هر فوتون در یک برهم نهی از چندین انرژی قرار دارد - رشته‌ای از احتمالات وجود دارد که به ما امکان می‌دهد بفهمیم فوتون انرژی خاصی دارد. با این حال، مجموع انرژی دو فوتون باید برابر با انرژی فوتون اصلی باشد. وقتی انرژی یک فوتون را اندازه گیری می کنیم، بلافاصله انرژی فوتون دوم را تنظیم می کنیم.

اکنون، ممکن است فکر کنید که این فقط یک ترفند است: هر فوتون در تمام مدت انرژی اندازه‌گیری شده را داشت، ما هرگز به خود زحمت ندادیم آن را بررسی کنیم. اما اگر این فرض را بکنید و شروع به ساختن کنیدپیش بینی در مورد نتایج اندازه گیری، شما پاسخ های اشتباه دریافت خواهید کرد.

نتیجه گیری: دو فوتون قبل از اندازه گیری دارای چندین انرژی و بعد از اندازه گیری یک انرژی واحد هستند و اندازه گیری یکی انرژی دومی را تعیین می کند. این نتیجه باعث ناراحتی بسیاری از مردم و ایجاد تمام کلیشه های نفرت انگیز در جمله اول مقاله شد.

اگر مکانیک کوانتومی واقعاً اینگونه است، چرا ما آن را در همه جا نمی بینیم؟ سوال خوبیه وقتی مسابقه قفس بین تئوری های رقیب تمام شد، خوشحال می شوم پاسخ را به شما بگویم.

در این میان، نقطه مشترک بین تئوری های رقیب این است که هر چه چیزی بزرگتر باشد، بیشتر با بقیه جهان تعامل دارد (شما می توانید «تعامل» را به عنوان نوعی اندازه گیری بخوانید) که این همبستگی ها را به همان سرعتی که شروع می شوند از بین می برد. به همین دلیل است که درهم تنیدگی کوانتومی بین یک میدان نوری و یک مهره بزرگ شیشه ای بسیار غیرعادی است. در شرایط عادی، اندازه مهره قبل از اندازه‌گیری، درهم تنیدگی را از بین می‌برد.

محققان از نور لیزر برای تعلیق و خنک کردن یک مهره شیشه ای با استفاده از موچین های نوری استفاده کردند. نور لیزر بین یک جفت آینه که حفره نوری نامیده می شود و مهره در مرکز حفره قرار دارد محدود می شود. حفره نوری به شدت میدان های نور را مشخص می کند. اساساً، فاصله بین دو آینه، فاز و فرکانس میدان‌های نوری را تعیین می‌کند و یک سری مکان‌های ثابت بین آینه‌ها ایجاد می‌کند که در آن شدت نور زیاد و کم وجود دارد.الگوی موج ایستاده نامیده می شود که می توانید آن را روی سیم گیتار نیز ببینید.

الگوی موج ایستاده به این معنی است که تا زمانی که مهره حرکت زیادی نداشته باشد، تعامل بین مهره و میدان نور نیز کاملاً مشخص است، که دلیل دیگری برای خنک کردن مهره است.

خنک کردن در این مورد معنای بسیار خاصی دارد. مهره در داخل پرتو لیزر به دام افتاده است، اما تله بیشتر شبیه به نگه داشتن مهره با نوارهای الاستیک است تا در موچین های فلزی. مهره در داخل پرتو لیزر به جلو و عقب می لرزد. از این نظر، مهره داغ است. برای خنک شدن مهره، ارتعاش باید کم شود تا جایی که ممکن است ثابت بماند (هرگز نمی تواند کاملاً ساکن باشد). این امر با کاهش اندکی فرکانس لیزر به رنگ قرمزتر به دست می آید، به طوری که مهره همیشه از طریق اثر داپلر به میدان نوری انرژی می دهد. نوری که از مهره پراکنده می شود همیشه در این فرآیند انرژی کمی از مهره به دست می آورد.

پس از خنک شدن، نور لیزر باید به مهره کمی ضربه بزند تا این دو را در هم ببندد. این کار با کمی افزایش فرکانس لیزر (به معنی رنگ آبی تر) انجام می شود. حالا همان جابجایی داپلر که انرژی را حذف می کرد، آن را اضافه می کند.

به طور خلاصه، ما دو پرتو لیزر داریم، یکی خنک کننده و دیگری گرمایش. اما پرتو خنک کننده تنها زمانی می تواند خنک شود که مهره بیش از حداقل مطلق خود حرکت کند، که پرتو گرمایش از وقوع آن اطمینان حاصل می کند. این بدان معناست که دو میدان نوری از طریق حرکت مهره با یکدیگر در ارتباط هستند.و این بدان معنی است که میدان های نور با مهره درهم می شوند. اما چگونه آن را اندازه گیری کنیم؟

مقدار کمی نور از یکی از آینه ها نشت می کند، جایی که از محدودیت های حفره نوری رها می شود. این اجازه می دهد تا برای نوسانات کوچک در فاز و دامنه، که با حرکت مهره مرتبط است. از آنجایی که هر دو میدان نوری از حفره نشت می کنند، می توان همبستگی بین این دو را اندازه گیری کرد، که به ما امکان می دهد درهم تنیدگی میدان های نوری را با مهره مشاهده کنیم.

این آزمایش چیز ساده ای نبود. اندازه‌گیری‌ها کاملاً پر سر و صدا هستند و متکی به داشتن یک مدل عالی از کل سیستم هستند که امکان تشخیص حالت‌های درهم‌تنیده و غیر درهم‌تنیده را فراهم می‌کند. اما همچنین اولین اندازه گیری در نوع خود است، بنابراین باید انتظار داشته باشیم که اوضاع بهتر شود.

با وجود اینکه من به شدت "آیا این مفید است؟" هستم. من هنوز از نتایجی مانند این برای اینکه یک تور دو نیرو فنی است و نشان می دهد که مکانیک کوانتومی واقعاً همه جا وجود دارد، قدردانی می کنم. با این حال، محققان برنامه های کاربردی را می بینند. در ارتباطات کوانتومی، نور راهی برای انتقال اطلاعات کوانتومی است. اما ذخیره نور دشوار است. این سیستم مکانیکی اجازه می دهد تا اطلاعات به صورت محلی به عنوان حافظه ذخیره شود. و از آنجایی که این یک سیستم کاملاً مصنوعی است، می‌توانیم آن را به گونه‌ای طراحی کنیم که دقیقاً دارای ویژگی‌هایی باشد که می‌خواهیم، که به نظر من، آن را کاملا امیدوارکننده می‌کند.

Science، 2026، DOI: 10.1126/science.aeh1375

کریس برای بخش علوم Ars Technica می نویسد. او یک فیزیکدان در روز و نویسنده علم در شب استدر فیزیک کوانتومی و اپتیک تخصص دارد. او در آیندهوون، هلند زندگی و کار می کند.