داستان یک "عشق" در ابعاد کوانتومی

* می خواهیم داستانی عاشقانه در کوچک ترین مقیاس هایی که می توان تصور کرد برایتان بگوییم: ذرات نور. ذراتی با پیوندی چنان تنگاتنگ که حتی اگر فاصله ای میانشان بیفتد، باز هم بر یکدیگر تاثیر می گذارند.

این انگاره که "درهم‌تنیدگی" نام دارد، بخشی از یک شاخه ی فیزیک به نام مکانیک کوانتوم است، توصیف سازوکار کیهان در سطح اتم یا ذراتی از آن هم کوچک تر. مکانیک کوانتوم می گوید در این مقیاس های خُرد، برخی از ویژگی های ذرات به طور کامل بر پایه ی احتمالات خواهد بود. به بیان دیگر، هیچ چیز در این مقیاس تا زمانی که رخ نداده قطعی نیست. 

فناوری‌ای که برای بررسی "عشق" میان ذرات به کار رفت اکنون دارد در پژوهش های مربوط به بهینه سازی ارتباطات میان زمین و فضا هم به کار برده می شود. تصویر بزرگ تر

آزمودن قضیه ی بِل

به باور آلبرت اینشتین، قوانین مکانیک کوانتوم واقعیت را به طور کامل توصیف نمی کردند. وی و دیگران متغیرهای نهانی را فرض کرده بودند که به کمک آن ها می شد سامانه های کوانتومی را پیش بینی کرد. ولی در سال ۱۹۶۴، جان استوارت بِل این اندیشه را مطرح کرد که هر مدلی از واقعیت فیزیکی با چنین متغیرهایی می بایست تاثیر آنی و بی‌درنگِ یک ذره بر ذره ی دیگر را هم توجیه کند. اینشین ثابت کرده بود اطلاعات نمی توانند با سرعتی بیش از سرعت نور جابجا شوند، با این وجود به گفته ی بل، ذرات می توانستند حتی از یک فاصله هم بر یکدیگر اثر بگذارند.

دانشمندان قضیه ی بل را یک بنیان مهم برای فیزیک نوین می دانند. برای اثبات این قضیه تاکنون آزمایش های بسیاری انجام شده، ولی تا همین اواخر هیچ کس نتوانسته بود یک آزمون کامل و مناسب برای چیزی که بل می توانست نیاز داشته باشد طراحی کند. در سال ۲۰۱۵، سه پژوهشنامه ی جداگانه در این باره منتشر شد که همگی با پیش بینی های مکانیک کوانتوم و درهم‌تنیدگی سازگار بودند.

کریستر شَلم، فیزیکدان بنیاد ملی استانداردها و فناوری (NIST) در بولدر کلرادو می گوید: «نکته ی هیجان انگیز اینست که ما به گونه ای در حال انجام فلسفه ی تجربی هستیم.» شلم که نویسنده ی اصلی یکی از سه پژوهش سال ۲۰۱۵ درباره ی قضیه ی بل بود می افزاید: «انسان ها همیشه چشمداشت های معینی از شیوه ی کارکرد جهان داشته اند، و هنگامی که مکانیک کوانتوم پدیدار شد، به نظر می رسید رفتاری متفاوت با این چشمداشت ها دارد.»

آزمایش "آلیس و باب" برای مکانیک کوانتوم

پژوهشنامه ی شلم، مارسیلی و همکارانشان با عنوان سرگیجه آور "آزمون نیرومند بی-گریزگاه برای واقع‌گرایی جایگزیده" (Strong Loophole-Free Test of Local Realism) در نشریه ی Physical Review Letters منتشر شد.

فرانچسکو مارسیلی از آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا (JPL) در پاسادنای کالیفرنیا و همکار شلم در این پژوهش می گوید: «پژوهشنامه ی ما و دو پژوهشنامه ی دیگری که پارسال منتشر شد نشان می دهند که حق با بل بود: هر مدلی از جهان که در بر دارنده ی متغیرهای نهان باشد می بایست به ذرات درهم‌تنیده اجازه دهد تا با وجود جدایی هم بر یکدیگر اثر بگذارند.»

یک همانندسازی می تواند به درک این آزمایش که در آزمایشگاه NIST در بولدر انجام شد کمک کند:

فرض کنید آ و ب فوتون های درهم‌تنیده هستند. آ به سوی آلیس و ب به سوی باب که ۱۸۵ متر از هم فاصله دارند فرستاده می شوند.

آلیس و باب از همه ی راه ها فوتون هایشان را می آزمایند تا از ویژگی هایشان سر در آورند. این دو که گفتگویی میانشان نیست، با دستگاهی که به هر کدام یک شماره ی شانسی می دهد، تصمیم هایی شانسی و کتره ای برای سنجش فوتون خود می گیرند. هنگامی که آلیس و باب یادداشت های خود را با یکدیگر مقایسه می کنند با شگفتی می بینند که نتایج آزمایش های جداگانه ی آن ها با هم پیوند دارند (ربط دارند). به بیان دیگر، سنجش یک فوتون از دو فوتونِ درهم‌تنیده حتی با وجود فاصله، بر ویژگی های فوتون دیگر تاثیر می گذارد.

شلم می گوید: «مانند اینست که آلیس و باب تلاش کنند دو فوتون را از هم جدا کنند، ولی عشق آن ها باز هم پابرجا باشد.» به بیان دیگر، فوتون های درهم تنیده مانند یک سامانه ی یکتا رفتار می کنند، حتی اگر فضایی میانشان باشد.

آلیس و باب -که نقش آشکارسازهای واقعی فوتون را دارند- آزمایش خود را با جفت فوتون های درهم‌تنیده ی بسیاری تکرار می کنند، ولی باز هم همین پدیده رخ می دهد.

در واقعیت، آشکارسازهای فوتون انسان نیستند، بلکه "آشکارسازهایی با نانوسیم ابررسانای تک فوتونی" (SNSPD) هستند. SNSPDها نوارهایی فلزیند که تا حد "ابررسانایی" سرد شده اند، یعنی مقاومت الکتریکی خود را از دست داده اند. با برخورد یک فوتون به این نوار، نوار "برای لحظه ای" دوباره به فلز معمولی تبدیل شده و مقاومتش از صفر به یک مقدار محدود افزایش می یابد. این تغییر مقاومت به پژوهشگران اجازه می دهد تا رویداد برخورد فوتون را ثبت کنند.

چالش بزرگ برای انجام دادن این آزمون در آزمایشگاه اینست که باید جلوی از دست رفتن فوتون هایی که از راه یک تار نوری (فیبر نوری) به سوی آشکارسازهای آلیس و باب فرستاده می شوند گرفته شود. آزمایشگاه های JPL و NIST توانستند آشکارسازهای SNSPD را با بهترین کارایی جهان بسازند، با بازده ۹۰ درصد و "لرزش" اندک (لرزش یا jitter، بی‌قطعیتی زمان رسیدن فوتون). این آزمایش بدون آشکارسازهای SNSPD امکان پذیر نبود.

این نگاره به توضیح اندیشه ی "ذرات درهم‌تنیده" کمک می کند. آلیس و باب نماد آشکارسازهای فوتونی هستند که آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا و بنیاد ملی استانداردها و فناوری ساخته اند.

سودمندی این در چیست؟

طرح این آزمایش توان آن را دارد که در رمزنگاری (ایمن کردن اطلاعات و پیام ها) به کار برده شود، زیرا در آن شماره های شانسی و کتره ای تولید می شود.

شلم می گوید: «همین آزمایشی که آگاهی هایی ژرف درباره ی ساخت و بنیان جهان به ما می دهد، می تواند در برنامه هایی که اطلاعاتمان را امن نگه می دارند نیز به کار رود.»

رمزنگاری تنها کاربرد این پژوهش نیست. آشکارسازهایی مانند آنچه توسط JPL و NIST ساخته شد، می تواند در ارتباطات نوری فضای دوردست نیز به کار رود. این آشکارسازها با بازدهی بالا و بی‌قطعیتی اندک درباره ی زمان رسیدن سیگنال، بسیار مناسبِ تراگسیل اطلاعات با تپ های نور در طیف نوری هستند.

مارسیلی می گوید: «ما امروز برای ارتباط با فضاپیماهایی که به سرتاسر سامانه ی خورشیدی فرستاده می شود، "شبکه ی فضای دوردست" (DSN) را داریم که اطلاعات را به شکل سیگنال های رادیویی رمزگذاری می کنند. با بهره از ارتباطات نوری می توانیم نرخ داده های این شبکه را ۱۰ تا ۱۰۰ برابر افزایش دهیم.»

ارتباط نوری فضای دوردست با بهره از فناوری‌ای همسان با آشکارسازهای آزمایش مارسیلی، در ماموریت کاوشگر جو و محیط غبار ماه (لَدی، LADEE) به نمایش در آمد. لَدی از اکتبر ۲۰۱۳ تا آوریل ۲۰۱۳ به گرد ماه می چرخید و سرانجام ماموریتش را با برخوری مهار شده به سطح ماه به پایان رساند. این نمایش در ماموریتی به نام "نمایش ارتباطات لیزری ماه" (LLCD) و با کمک ابزارهایی که در فضاپیمای لَدی و روی زمین آماده شده بود انجام شد. در این ماموریت، داده هایی که به شکل تپ های لیزر رمزگذاری شده بودند از سوی فضاپیما فرستاده شده و با گیرنده های زمینی که بر پایه ی SNSPDها کار می کردند دریافت شدند.

مرکز فرماندهی فناوری فضایی ناسا اکنون در حال ساخت فضاپیمایی به نام "نمایش بازپخش ارتباطات لیزری" (LCRD) است. این فضاپیما می تواند با بهره از لیزر برای رمزگذاری و تراگسیل داده ها با نرخ ۱۰ تا ۱۰۰ برابر سریع‌تر از سریع‌ترین سامانه های بسامد-رادیویی امروزی، و همچنین با داشتن وزن کمتر و مصرف برق پایین تر، انقلابی در شیوه ی گسیل و دریافت داده ها به پا کند.

مارسیلی می گوید: «اطلاعات هرگز نمی توانند سریع تر از نور جابجا شوند- اینشتین این را درست می گفت. ولی در پژوهش های ارتباطات نوری، [در عوض] می توانیم حجم اطلاعاتی که می خواهیم به فضا بفرستیم را افزایش دهیم. این واقعیت که آشکارسازهای آزمایش ما این توانایی را دارند، برهم کنش های بزرگ میان زمین و فضا را امکان پذیر می کند.»

و بنابراین، چیزی که در آغاز، بررسی "عشق" میان ذرات بود اکنون دارد به نوآوری هایی در ارتباط میان زمین و فضا کمک می کند. "عشق سازنده ی دنیایی است برای همه" و شاید به یک معنا، یاریگر ما برای آموختن درباره ی دنیاهای دیگر هم باشد.

-------------------------------------------------

تلگرام یک ستاره در هفت آسمان:

https://telegram.me/onestar_in_sevenskies

واژه نامه:

love story - entanglement - quantum mechanics - atom - Bell's Theorem - Albert Einstein - John Bell - modern physics - experimental philosophy - Krister Shalm - National Institute of Standards and Technology - NIST - Alice and Bob - Physical Review Letters - Strong Loophole-Free Test of Local Realism - hidden variable - Francesco Marsili - NASA - Jet Propulsion Laboratory - photon - detector - superconducting nanowire single photon detector - SNSPD - superconducting - electric resistance - metal - optical fiber - JPL - jitter - uncertainty - cryptography - JPL - pulse - optical spectrum - Deep Space Network - solar system - radio signal - Lunar Atmosphere Dust and Environment Explorer - LADEE - Lunar Laser Communication Demonstration - laser - Space Technology Mission Directorate - Laser Communications Relay Demonstration - LCRD - radio - frequency - Earth - ove makes the world go 'round - cartoon -

منبع: nasa

برگردان: یک ستاره در هفت آسمان