نسبت موج‌بودن و ذره‌بودن اجسام کوانتومی مشخص شد!

به گزارش مجله خبری نگار/برنا،پژوهشگران مؤسسه فناوری استیونز با بهره‌گیری هم‌زمان از ویژگی‌های موجی و ذره‌ای اجسام کوانتومی موفق به توسعه روشی نوآورانه برای تصویربرداری کوانتومی شدند.

در قرن گذشته مکانیک کوانتومی به‌طور بنیادی نگاه ما به جهان را دگرگون کرده و دنیایی عجیب و متناقض را آشکار ساخته است؛ جهانی که در آن ذرات می‌توانند رفتار موجی داشته باشند و حتی مشاهده پدیده‌ها می‌تواند بر نتایج آنها تأثیر بگذارد.

در سال‌های اخیر دانشمندان با مطالعه پدیده‌ای به‌نام دوگانگی موج-ذره (Wave-Particle Duality)، روش‌هایی را برای اندازه‌گیری میزان گرایش یک جسم کوانتومی به رفتار موج‌گونه یا ذره‌گونه توسعه داده‌اند. این روش‌ها کمک کرده‌اند تا شرایطی که در آن، سیستم‌های کوانتومی بین حالت‌های موجی و ذره‌ای جابه‌جا می‌شوند، بهتر درک شود.

اکنون تیمی از پژوهشگران مؤسسه فناوری استیونز در مقاله‌ای که در نشریه Physical Review Research منتشر شده، پیشرفت بزرگی را گزارش کرده‌اند: آنها موفق شده‌اند یک فرمول ساده، اما دقیق را استخراج کنند که رابطه‌ی ریاضی بین «موج‌بودن» و «ذره‌بودن» یک جسم کوانتومی را با دقت بالا مشخص می‌کند.

شیائوفنگ چیان، استاد فیزیک در استیونز و نویسنده اصلی این مقاله می‌گوید: دوگانگی موج-ذره ستون فقرات مکانیک کوانتومی است. پژوهشگران بیش از پنجاه سال تلاش کرده‌اند تا این پدیده را به‌طور کمی تحلیل کنند، اما این نخستین چارچوب کامل برای سنجش دقیق و بهینه‌ی ویژگی‌های موجی و ذره‌ای در سطح کوانتومی است.

بیشتر بخوانید

راز ذخیره نور کوانتومی برای اولین بار فاش شد!

یک اختراع نانویی قوانین فیزیک را دور می‌زند!

کلید فناوری‌های هوشمند آینده پیدا شد!

عبور از محدودیت‌های مدل‌های پیشین

در مدل‌های قبلی، مجموع ویژگی‌های موجی (مانند الگو‌های تداخل) و ویژگی‌های ذره‌ای (مانند قابلیت پیش‌بینی مسیر یا مکان) همواره کمتر یا مساوی عدد یک در نظر گرفته می‌شد. چیان در این‌باره می‌گوید: این رابطه مهم بود، چون اگر جسمی کاملاً موج‌گونه باشد، هیچ ویژگی ذره‌ای از خود نشان نمی‌دهد و بالعکس.

اما این مدل‌ها در توصیف موقعیت‌هایی که ویژگی‌های موجی و ذره‌ای هم‌زمان افزایش می‌یابند، ناتوان بودند؛ حالتی که با ماهیت انحصاری این دو ویژگی در تضاد است. برای حل این مشکل، پژوهشگران مفهوم «هم‌خوانی» یا coherence را به‌عنوان متغیری جدید معرفی کردند.

چیان توضیح می‌دهد: هم‌خوانی مفهومی دشوار است، اما در واقع نوعی توصیف پنهان از توانایی تداخل موجی است. اگر میزان هم‌خوانی را به‌درستی کمی‌سازی و آن را در کنار معیار‌های استاندارد برای موج‌بودن و ذره‌بودن در نظر بگیریم، مجموع آنها دقیقاً برابر با یک خواهد بود.

از نابرابری تا محاسبه دقیق

افزودن هم‌خوانی به مدل، امکان محاسبه‌ی دقیق میزان موج‌بودن و ذره‌بودن را فراهم می‌سازد؛ به‌جای آن‌که صرفاً محدود به جمله‌ی «کمتر از یک» باشد.

این رابطه ریاضی را می‌توان به‌صورت یک منحنی ظریف روی نمودار ترسیم کرد: در سیستم‌هایی با هم‌خوانی کامل، این منحنی به شکل یک ربع دایره کامل است و با کاهش هم‌خوانی، منحنی به بیضی‌ای مسطح تبدیل می‌شود.

علاوه بر ارزش علمی بنیادین، این پیشرفت پتانسیل کاربرد‌های مهمی در حوزه‌های اطلاعات کوانتومی و محاسبات کوانتومی دارد. برای اثبات این قابلیت، تیم چیان نظریه خود را در روش «تصویربرداری کوانتومی با فوتون‌های شناسایی‌نشده» (QIUP) به‌کار گرفت. در این تکنیک، یک فوتون از یک جفت فوتون درهم‌تنیده برای اسکن شکاف یک جسم به‌کار گرفته می‌شود. اگر فوتون از شکاف بدون برخورد عبور کند، هم‌خوانی بالا باقی می‌ماند؛ اما در صورت برخورد با دیواره، هم‌خوانی به‌شدت کاهش می‌یابد.

سپس با اندازه‌گیری موج‌بودن و ذره‌بودن فوتون دیگر (که با آن فوتون اول درهم‌تنیده است)، پژوهشگران می‌توانستند میزان هم‌خوانی فوتون عبوری را استنتاج کرده و در نتیجه شکل شکاف جسم را بازسازی کنند.

چیان می‌گوید: این نتایج نشان می‌دهد که ویژگی‌های موجی و ذره‌ای یک جسم کوانتومی می‌تواند به‌عنوان منبعی برای تصویربرداری کوانتومی و همچنین سایر کاربرد‌های اطلاعاتی و محاسباتی مورد استفاده قرار گیرد.

مقاومت در برابر نویز‌های محیطی

نکته قابل‌توجه آن است که تصویربرداری حتی در حضور عوامل مزاحمی، چون تغییرات دما یا لرزش‌ها که موجب افت هم‌خوانی سیستم می‌شوند نیز ممکن باقی می‌ماند. این عوامل به‌صورت یکسان بر موقعیت‌هایی با هم‌خوانی بالا و پایین تأثیر می‌گذارند؛ بنابراین تفاوت بین این دو وضعیت همچنان قابل‌تشخیص است. چیان توضیح می‌دهد: اگرچه منحنی بیضی فشرده می‌شود، اما اطلاعات موردنظر از جسم را همچنان می‌توان استخراج کرد.

او در پایان افزود: ریاضیات این مدل ساده به نظر می‌رسد، اما هنوز فاصله زیادی با درک کامل شگفتی‌های مکانیک کوانتومی داریم. مسیر‌های ناشناخته بسیاری برای کشف باقی مانده‌اند.