فوتون‌های درهم‌تنیده مفهوم جدیدی از رابطه علت و معلولی نشان دادند

 با این وجود به تازگی عده‌ای از فیزیک‌دانان کانادایی نشان دادند که این موضوع در دنیای عجیب مکانیک کوانتومی همواره صادق نیست و گاهی ممکن است عامل مشترک سومی علت وقوع باشد. آن‌ها با استفاده از تکرار یک سلسله آزمایش برای تعیین قطبش فوتون‌ها این ادعای خود را به اثبات رساندند.

تحقیقات انجام شده در حوزه پزشکی، اقتصاد و بسیاری از علوم دیگر اغلب بر مبنای همبستگی آماری بین دو متغیر است. اگر چه، معمولا چندان واضح نیست که تغییر در یک متغیر باعث تغییر در متغیر دیگر می‌شود یا هر دو متغیر توسط متغیر سومی به یکدیگر ارتباط دارند. برای مثال، در یک آزمایش دارویی، سرعت بهبودیافتن بیمارانی که داروی خاصی را مصرف کردند در مقایسه با کسانی که آن را دریافت نکرده‌اند می‌تواند به عامل سومی مربوط باشد که به صورت علّی به هر دو عامل وابسته است – شاید بیماری آن‌ دسته که دارویی مصرف نکرده‌اند نسبت به گروه اول خفیف‌تر باشند. پاسخ به این سوال انجام تست‌های دارویی تصادفی است که در آن‌ها داروها و دارونماها به صورت تصادفی توزیع شده باشند. به این معنا که اثر یک متغیر یا دارو – فارغ از اینکه بیمار آن را انتخاب کرده باشد یا نه – به صورت خیلی کنترل شده بر روی بیمار بررسی شود.

در تلاش‌های اخیر، تیمی به رهبری کوین رچ (Kevin Resch) از دانشگاه واترلو در کانادا و روبرت اسپکنز  (Robert Spekkens) از موسسه فیزیک نظری پریمیتر در واترلو کشف کرده‌اند که در مکانیک کوانتومی بدون کنترل یکی از متغیرها ممکن است بتوان تشخیص داد که دو متغیر به صورت علّی به هم وابسته هستند یا نه. در حقیقت هر دو متغیر را می‌توان آزاد گذاشته و صرفا با مطالعه الگوهای همبستگی که از تکرار آزمون‌های مختلف بر روی یک سیستم کوانتومی به دست می‌آید به رابطه علّی دست یافت.

زوج‌های درهم‌تنیده

اسپکنز و دو نظریه‌پرداز دیگر آزمایشی را طراحی کرده‌اند که در ابتدا ‌ دو فوتون در یک حالت در هم‌تنیده قرار دارند. آن‌ها قطبش یکی از این فوتون‌ها، مثلا قطبش فوتون A را اندازه می‌گیرند و سپس خود فوتون و همتای آن را به سمت دریچه‌ای ارسال می‌کنند. فوتونی که از این دریچه بیرون می‌آید- مثلا فوتون B– در برخی حالات نسخه تبدیل شده‌ای از فوتون  A است، در حالی که در سایر موارد همان همتای در هم‌تنیده فوتون A است. در مثال اول، A علت B است، در حالی‌که در مثال دوم هر دو ذره توسط علت مشترکی به یکدیگر مرتبط می‌شوند.

در واقع، این دو امکان با استفاده از یک مولد اعداد تصادف با هم ترکیب شده‌اند، به طوری که برای قسمت مشخصی از زمان این ماشین رابطه علی مسقیمی را بین  A و B ایجاد می‌کند و در باقی موارد A و B دو نیمه از یک جفتِ در هم‌تنیده هستند. به عبارت دیگر، فردی که این آزمایش را انجام می‌دهد نمی‌داند که آیا با یک تک ذره در دو زمان مختلف سر و کار دارد و یا با دو ذره‌ی در هم تنیده روبروست.

رچ و دو تن از دانشجویانش این طرح را با استفاده از قطبشگرهایی که سه اندازه‌گیری را بر روی A انجام می‌دهند اجرایی کردند. این سه اندازه‌گیری عبارتند از تشخیص قطبش افقی از عمودی، قطری از غیرقطری و دورانی چپ‌گرد از راست‌گرد. آن‌ها این فرایند را هزار بار تکرار کردند تا نتایج آماری مطمئنی به دست بیاورند.

هماهنگ‌کردن قطبش‌ها

این محققان دریافتند که اگر A دلیل B باشد آن‌گاه نتایج اندازه‌گیری‌های قطبش بر روی B برای تمام سه نوع قطبشگر یا برای یکی از آن‌ها می‌تواند در A هماهنگ باشد. به صورت برعکس، اگر A و B علت یکسانی داشته باشند، آنگاه نتایج B می‌تواند با نتایج A برای دو تا از سه قطبش‌گر هماهنگ باشد یا با هیچ‌کدامشان هماهنگ نباشد ( یعنی اندازه‌گیری قطبش‌ها همواره متفاوت است). این همبستگی‌ها در توزیع نتایج حاصل از هزار بار اجرای آزمایش به همراه شکل دقیق توزیع وابسته به بایاس استفاده شده در تولید اعداد تصادفی مشاهده شدند.

نتایج این گروه از محققان مشابهت‌های  زیادی با نتایج منتشرنشده از محققانی دارد که در سال 2013 به سرپرسرستی ولتاکو وردال (Vlatko Vedral) در دانشگاه ملی سنگاپور و دانشگا آکسفورد انجام شد. گروه وردال همبستگی‌هایی را کشف کردند که رابطه علی مستقیمی را بین حالت‌های کوانتومی که در این مورد خاص اسپین‌های هسته‌ای هستند اعمال می‌کند. رچ و همکارانش دریافتند که مجموعه‌ای از این همبستگی‌ها می‌تواند وجود رابطه علّی یا عامل علّی مشترکی را بین متغیرها نشان بدهد.

برهم‌نهی حالت‌های علّی

کاسلاو بروکر (Caslav Brukner) از دانشگاه وین و موسسته کوانتوم اپتیک و اطلاعات کوانتومی در اتریش در ستایش این تحقیق می‌گوید «این تحقیق بسیار جالب و مهمی است». او همچنین احتمال می‌دهد که در برهم‌نهی دو متغیر وابسته به هم چه به صورت مستقیم و چه از طریق یک عامل سوم مشترک، همبستگی‌هایی وجود داشته باشد. او می‌افزاید که چنین برهم‌نهی‌هایی می‌تواند مشابه با مکان یا تکانه در مکانیک کوانتومی باشد. او می‌گوید «اگر چنین ساختارهایی در طبیعت وجود داشته باشد تحقیقات جدید برای شناسایی آن‌ها بسیار مفید خواهد بود».

به گزارش انجمن فیزیک ایران، این محققان می‌گویند کار آن‌ها می‌تواند به فهم هر چه بهتر عدم‌قطعیت کوانتومی به عنوان چهره‌ای از دنیای واقعی کمک به سازایی داشته باشد.آن‌ها همجنین بر این باورند که نتایج‌شان می‌تواند در آزمودن مولفه‌های کامپیوترهای کوانتومی بسیار مفید باشد.

منبع

No tags for this post.