روشی نوین برای اندازه‌گیری هم‌زمان موقعیت و تکانه ذرات!

به گزارش مجله خبری نگار/برنا، محققان در استرالیا و بریتانیا موفق شدند راهی برای بازآرایی عدم قطعیت کوانتومی پیدا کنند که امکان عبور از محدودیت‌های مطرح‌شده توسط اصل عدم قطعیت هایزنبرگ را فراهم می‌کند. این دستاورد می‌تواند پایه‌ای برای ساخت حسگر‌هایی با دقت فوق‌العاده باشد که کاربرد‌هایی در زمینه‌های ناوبری، تصویربرداری پزشکی و اخترشناسی خواهند داشت.

به گزارش sciencedaily، اصل عدم قطعیت هایزنبرگ که نخستین بار در سال ۱۹۲۷ معرفی شد بیان می‌کند که نمی‌توان هم‌زمان و با دقت نامحدود، برخی جفت ویژگی‌ها مانند موقعیت و تکانه یک ذره را اندازه‌گیری کرد. در عمل، این بدان معناست که افزایش دقت در یک ویژگی، به ناچار موجب کاهش اطمینان در ویژگی دیگر می‌شود.

در مطالعه‌ای که در نشریه Science Advances منتشر شد، پژوهشگران به سرپرستی تینگری تان از موسسه نانو و دانشکده فیزیک دانشگاه سیدنی نشان دادند که چگونه می‌توان جایگزینی برای این معامله سنتی طراحی کرد؛ جایگزینی که اجازه می‌دهد موقعیت و تکانه یک ذره هم‌زمان با دقت استثنایی اندازه‌گیری شوند.

تان، محقق همکار سیدنی هورایزن با استفاده از تشبیه هوا درون بادکنک توضیح داد: نمی‌توان عدم قطعیت را بدون ترکاندن بادکنک حذف کرد، اما می‌توان آن را جابجا کرد و به شکل مورد نظر تغییر داد. کاری که ما انجام داده‌ایم، همین است؛ ما عدم قطعیت اجتناب‌ناپذیر کوانتومی را به بخش‌هایی منتقل می‌کنیم که اهمیتی برای ما ندارند (تغییرات بزرگ و تقریبی در موقعیت و تکانه) تا جزئیات ریزی که اهمیت دارند، با دقت بالاتر اندازه‌گیری شوند.

پژوهشگران همچنین از تشبیه ساعت برای توضیح یافته‌های خود استفاده کرده‌اند. در یک ساعت معمولی با دو عقربه ساعت و دقیقه اگر تنها یک عقربه داشته باشیم مثلاً عقربه ساعت، می‌توان ساعت را خواند، اما دقت دقیقه‌ها پایین خواهد بود. بالعکس اگر تنها عقربه دقیقه باشد، دقایق دقیقاً مشخص می‌شوند، اما چارچوب کلی ساعت مشخص نیست. این شیوه اندازه‌گیری مدولار با فدا کردن بخشی از اطلاعات کلی امکان دستیابی به جزئیات بسیار دقیق‌تر را فراهم می‌کند.

کریستوف والاهو، نویسنده اول مقاله از تیم آزمایشگاه کنترل کوانتوم دانشگاه سیدنی گفت: با اعمال این استراتژی در سیستم‌های کوانتومی، می‌توان تغییرات موقعیت و تکانه ذره را با دقت بسیار بالاتر اندازه‌گیری کرد. ما اطلاعات کلی را فدا می‌کنیم، اما توانایی تشخیص تغییرات کوچک را با حساسیت بی‌سابقه به دست می‌آوریم.

استفاده از ابزار‌های محاسبات کوانتومی برای پروتکل جدید حسگری

این استراتژی نخستین بار به صورت نظری در سال ۲۰۱۷ مطرح شد. در مطالعه حاضر تیم تان برای اولین بار آن را به صورت عملی با استفاده از رویکردی که پیش‌تر برای کامپیوتر‌های کوانتومی اصلاح‌شده ارائه کرده بودند، اجرا کردند؛ دستاوردی که اخیراً در Nature Physics منتشر شد.

نیکلاس منیکوچی از دانشگاه RMIT و نویسنده همکار گفت: این یک گذر جذاب از محاسبات کوانتومی به حسگری است. ایده‌هایی که برای کامپیوتر‌های کوانتومی مقاوم طراحی شده‌اند، می‌توانند به حسگر‌ها کمک کنند تا سیگنال‌های ضعیف را بدون آنکه در نویز کوانتومی گم شوند، دریافت کنند.

تیم سیدنی پروتکل حسگری خود را با استفاده از حرکت ارتعاشی یک یون به دام افتاده معادل کوانتومی یک پاندول اجرا کردند. آنها یون را در حالت‌های شبکه‌ای که برای کامپیوتر‌های کوانتومی اصلاح‌شده توسعه یافته‌اند، آماده کردند و نشان دادند که موقعیت و تکانه می‌توانند هم‌زمان با دقتی فراتر از حد کوانتومی استاندارد اندازه‌گیری شوند؛ حدی که با حسگر‌های کلاسیک قابل دست‌یابی است.

بن باراجیولا از دانشگاه RMIT افزود: ما اصل هایزنبرگ را نقض نکرده‌ایم؛ پروتکل ما کاملاً در چارچوب مکانیک کوانتومی عمل می‌کند. این روش برای سیگنال‌های کوچک بهینه‌سازی شده است، جایی که جزئیات ریز اهمیت بیشتری نسبت به کلیات دارند.

اهمیت این دستاورد

توانایی تشخیص تغییرات بسیار کوچک در علوم و فناوری اهمیت ویژه‌ای دارد. حسگر‌های کوانتومی فوق دقیق می‌توانند ناوبری را در محیط‌هایی که GPS کار نمی‌کند (مانند زیردریایی‌ها، زیر زمین یا فضا) بهبود دهند، تصویربرداری زیستی و پزشکی را دقیق‌تر کنند، مواد و سیستم‌های گرانشی را پایش کنند یا به مطالعه فیزیک بنیادی بپردازند.

اگرچه این تحقیق هنوز در مرحله آزمایشگاهی است، اما چارچوب جدیدی برای فناوری‌های حسگری آینده فراهم می‌کند و به جای جایگزینی روش‌های موجود ابزار مکملی به جعبه ابزار حسگری کوانتومی اضافه می‌کند.

والاهو تأکید کرد: همان‌طور که ساعت‌های اتمی ناوبری و ارتباطات را متحول کردند، حسگر‌های کوانتومی با حساسیت فوق‌العاده می‌توانند صنایع کاملاً جدیدی را ایجاد کنند.