ينتشر الضوء عبر السحابة الذرية الموضحة في المركز ثم يسقط على غشاء SiN الموضح على اليسار. نتيجة للتفاعل مع الضوء ، تصبح مقدمة الدورات الذرية واهتزاز الغشاء مترابطين كميًا. هذا هو جوهر التشابك بين الذرات والغشاء. الائتمان: معهد نيلز بور
نجح فريق من الباحثين في معهد نيلز بور بجامعة كوبنهاغن في ربط جسمين كميين مختلفين تمامًا. النتيجة لها العديد من التطبيقات المحتملة في الاستشعار فائق الدقة والتواصل الكمي وتم نشرها الآن في فيزياء الطبيعة.
التشابك هو أساس الاتصال الكمي والاستشعار الكمومي. يمكن فهمه على أنه رابط كمي بين جسمين مما يجعلهما يتصرفان ككائن كمي واحد.
الآن ، نجح باحثون من معهد نيلز بور ، جامعة كوبنهاغن ، في إحداث تشابك بين جسمين مختلفين وبعيدين. أحدهما عبارة عن مذبذب ميكانيكي ، غشاء عازل مهتز ، والآخر عبارة عن سحابة من الذرات ، كل منها يعمل كمغناطيس صغير – ما يسميه الفيزيائيون الدوران. أصبح من الممكن الآن تشابك هذه الكيانات المختلفة جدًا عن طريق ربطها بالفوتونات وجزيئات الضوء. يمكن أن تكون الذرات مفيدة في معالجة المعلومات الكمية ويمكن أن يكون الغشاء – أو أنظمة الكم الميكانيكية بشكل عام – مفيدًا لتخزين المعلومات الكمومية.
صرح البروفيسور يوجين بولزيك ، الذي قاد هذا الجهد ، قائلاً: “بهذه التقنية الجديدة ، نحن في طريقنا لدفع حدود احتمالات التشابك. كلما كبرت الأشياء ، كلما كانت متباعدة ، وكلما زاد تباينها ، أصبح التشابك أكثر إثارة للاهتمام من المنظورين الأساسي والتطبيقي. مع النتيجة الجديدة ، أصبح التشابك بين أشياء مختلفة جدًا ممكنًا “.
ما هو التشابك وكيف يتم تطبيقه؟
من أجل فهم المدى الكامل للنتيجة الجديدة ، من المهم أن نفهم بالضبط ما يعنيه مفهوم التشابك:
بالتمسك بمثال السبينات المتشابكة مع غشاء ميكانيكي ، تخيل موضع الغشاء المهتز وميل الدوران الكلي لجميع الذرات ، على غرار قمة الغزل. إذا كان كلا الجسمين يتحركان بشكل عشوائي ، ولكن يمكننا أن نلاحظ أن كلاهما يتحرك يمينًا أو يسارًا في نفس الوقت ، فإننا نسميها ارتباط. عادةً ما تقتصر هذه الحركة المترابطة على ما يسمى بحركة النقطة الصفرية – وهي الحركة المتبقية غير المترابطة لكل المادة التي تحدث حتى في الصفر المطلق درجة الحرارة. هذا يحد من معرفتنا بأي من الأنظمة. في تجربتهم ، قام فريق Eugene Polzik بتشابك الأنظمة ، مما يعني أنها تتحرك بطريقة مترابطة بدقة أفضل من حركة النقطة الصفرية. “ميكانيكا الكم مثل سيف ذو حدين – فهي تعطينا تقنيات جديدة رائعة ، ولكنها تحد أيضًا من دقة القياسات التي قد تبدو سهلة من وجهة النظر الكلاسيكية” – يقول أحد أعضاء الفريق ، ميشاو بارنياك. يمكن أن تظل الأنظمة المتشابكة مترابطة تمامًا حتى لو كانت على مسافة من بعضها البعض – وهي ميزة حيرت الباحثين منذ ولادة ميكانيكا الكم منذ أكثر من 100 عام.
يشرح كريستوفر أوستفيلدت ، طالب الدكتوراة ، المزيد: “تخيل الطرق المختلفة لتحقيق الحالات الكمية كنوع من حديقة حيوانات لوقائع أو مواقف مختلفة بصفات وإمكانيات مختلفة جدًا. على سبيل المثال ، إذا كنا نرغب في بناء جهاز من نوع ما ، لاستغلال الصفات المختلفة التي يمتلكونها جميعًا والتي تؤدي وظائف مختلفة وحل مهمة مختلفة ، فسيكون من الضروري اختراع لغة يستطيعون جميعًا ليتحدث. يجب أن تكون الحالات الكمومية قادرة على التواصل ، حتى يتسنى لنا استخدام الإمكانات الكاملة للجهاز. هذا ما أظهره هذا التشابك بين عنصرين في حديقة الحيوان أننا قادرون الآن على فعله “.
من الأمثلة المحددة على مناظير تشابك الأجسام الكمومية المختلفة الاستشعار الكمي. كائنات مختلفة تمتلك حساسية لقوى خارجية مختلفة. على سبيل المثال ، تُستخدم المذبذبات الميكانيكية كمقاييس تسارع ومستشعرات للقوة ، بينما تُستخدم الدورات الذرية في مقاييس المغناطيسية. عندما يكون واحد فقط من الكائنين المختلفين المتشابكين عرضة للاضطراب الخارجي ، فإن التشابك يسمح بقياسه بحساسية غير محدودة بتقلبات نقطة الصفر للكائن.
النظرة المستقبلية للتطبيقات المستقبلية للتقنية الجديدة
هناك إمكانية فورية إلى حد ما لتطبيق التقنية في الاستشعار لكل من المذبذبات الصغيرة والكبيرة. كان أحد أكبر الأخبار العلمية في السنوات الأخيرة هو الكشف الأول عن موجات الجاذبية ، بواسطة مرصد مقياس التداخل الليزري لموجات الجاذبية (ليغو). يستشعر LIGO ويقيس الموجات الخافتة للغاية التي تسببها الأحداث الفلكية في الفضاء السحيق ، مثل ثقب أسود عمليات الاندماج أو النجم النيوتروني عمليات الاندماج. يمكن ملاحظة الموجات لأنها تهز مرايا مقياس التداخل. ولكن حتى حساسية ليجو محدودة بميكانيكا الكم لأن مرايا مقياس التداخل الليزري تهتز أيضًا بسبب تقلبات نقطة الصفر. هذه التقلبات تؤدي إلى ضوضاء تمنع مراقبة الحركة الصغيرة للمرايا التي تسببها موجات الجاذبية.
دقة غير محدودة في القياسات التي من المحتمل أن تكون قابلة للتحقيق
من الممكن ، من حيث المبدأ ، إنشاء تشابك لمرايا LIGO مع سحابة ذرية وبالتالي إلغاء ضوضاء نقطة الصفر للمرايا بنفس الطريقة التي يحدث بها ضجيج الغشاء في التجربة الحالية. يمكن استخدام العلاقة المثالية بين المرايا والدوران الذري بسبب تشابكها في مثل هذه المستشعرات لمحو عدم اليقين تقريبًا. إنه يتطلب منا ببساطة أخذ المعلومات من نظام واحد وتطبيق المعرفة على الآخر. بهذه الطريقة ، يمكننا أن نتعلم عن كلٍّ من موقع وزخم مرايا LIGO في نفس الوقت ، ودخول ما يسمى بالفضاء الجزئي الخالي من ميكانيكا الكم واتخاذ خطوة نحو دقة غير محدودة لقياسات الحركة. تجربة نموذجية توضح هذا المبدأ في طريقها إلى مختبر يوجين بولزيك.
المرجع: “التشابك بين أنظمة الدوران والميكروسكوبية البعيدة” بقلم رودريجو أ.توماس ، وميشاي بارنياك ، وكريستوفر أوستفلدت ، وكريستوفر ب. مولر ، وكريستيان بيرنتسن ، ويغيشي تساتوريان ، وألبرت شليسر ، ويورجن أبيل ، وإميل زيوثن ، ويوجين إس بولزيك ، 21 سبتمبر 2020، فيزياء الطبيعة.
DOI: 10.1038 / s41567-020-1031-5
“هواة الإنترنت المتواضعين بشكل يثير الغضب. مثيري الشغب فخور. عاشق الويب. رجل أعمال. محامي الموسيقى الحائز على جوائز.”