آزمایش کوانتومی کنش شبح وار از راه دور را نقض کرد
در مقاله‌ای که در مجله نیچر کامیونیکیشن منتشر شده است، مدیر مرکز دینامیک کوانتوم، هاوارد وایزمن و همکارانش از دانشگاه توکیو گزارش می‌کنند که با استفاده از اندازه‌گیری‌های هموداین توانسته‌اند فرو ریزش غیر محلی تابع موج یک ذره را که اینیشتین معتقد بود واقعیت ندارد نشان دهند.
با توجه به علم مکانیک کوانتوم، یک ذره را می توان با تابع موجی که در فواصل بزرگ قراردادی منتشر می‌شود اما هرگز در دو یا چند مکان آشکارسازی نشده است، توصیف کرد.
این پدیده در نظریه کوانتوم توسط آنچه که اینیشتین در سال 1927 به عنوان «کنش شبح‌وار از راه دور» و یا فروپاشی غیر محلی آنی تابع موج انکار کرده بود، توضیح داده شده است.
دانشمندان تقریبا 90 سال بعد با جداسازی یک تک فوتون (بسته‌های تفكيک ناپذير انرژی) بین دو آزمایشگاه مجزا، از آشکارسازهای هموداین که ویژگی‌های موج مانند ذرات را اندازه‌گیری می‌کنند، برای نشان دادن واقعی بودن اثر فرو ریزش تابع موج استفاده کردند.
این پدیده هنوز قویترین اثبات درهم تنیدگی یک ذره منفرد است. درهم تنیدگی یک ذره منفرد شکل غیر معمولی از درهم تنیدگی کوانتومی می‌باشد که به طور فزاینده‌ای برای ارتباطات و محاسبات کوانتومی مورد بررسی قرار می‌گیرد.
بر اساس در هم تنیدگی کوانتومی، در سامانه‌های مرکب می‌توان با وضعیت‌هایی مواجه شد که در آن اجزای سامانه دارای هیچ ویژگی نیستند بلکه فقط سامانه کل دارای دسته‌ای از ویژگی‌ها است. به عنوان مثال می‌توان به درهم‌تنیدگی و جفت شدن خواص مکانیکی دو ذره اشاره کرد که پیش‌تر با یکدیگر در اندرکنش بوده‌اند و سپس از یکدیگر جدا شده‌اند. در هم تنیدگی برای ذراتی همچون فوتون‌ها، الکترون‌ها و حتی مولکول‌ها رخ می‌دهد. این اندرکنش فیزیکی مربوط به خواصی نظیر مکان، تکانه، اسپین و قطبش و غیره است به گونه‌ای که با تعیین هر یک از خواص برای یکی از دو ذره، همان خاصیت در دیگری تعیین می‌شود. به عبارت دیگر هر یک از ذرات جفت شده به خوبی توسط حالت کوانتومی مشابه توصیف می‌شوند.
این چیزی بود که باعث شد اینیشتین به ایده «رفتار شبح‌وار از راه دور» اشاره کند، زیرا تغییرات در یک نقطه بلافاصله در نقطه دیگر بروز می‌یافتند. در واقع در دهه ۱۹۲۰، شرودينگر اظهار كرد در تئوري كوانتوم امكان ساخت يك زوج فوتون درهم تنيده وجود دارد. اين فوتون‌ها چنان درهم تنيده‌اند كه با دانستن حالت يكی از فوتون‌ها می‌توان حالت فوتون ديگر را به طور آنی دريافت. زیرا فوتون‌های درهم‌تنيده، در هر فاصله‌ای از هم كه قرار داشته باشند، حتي اگر چندين سال نوری از هم دور باشند، ميیتوانند بلافاصله بر يكديگر تاثير بگذارند.
عبارت «آنی» انیشتين را با دردسر مواجه ساخت، چرا كه اين عبارت به طور تلويحی بيان می‌كرد که می‌توان سيگنال‌ها را سريع‌تر از سرعت نور انتقال داد. انیشتين اين مفهوم نامتعارف را با عبارت كنش شبح وار از راه دور توصيف كرد. از آنجايی كه تجهيزات دقيقی برای آزمايش وجود نداشت، اين ايده‌ها تا سال ۱۹۸۲ در بن بست گرفتار بود.
آزمايش فرضی انیشتين به اين ترتيب است كه يك ذره انتخاب و به دو فوتون تجزيه می‌شود. اين دو فوتون در دو جهت متفاوت به حركت درمی‌آيند. از آنجایی كه اين دو فوتون، از يك پيون خارج شده‌اند، درهم‌تنيده‌اند، به این معنی که تابع موج يكسانی دارند. اين دو فوتون، داراي چند ويژگی مكمل نيز هستند. برای مثال می‌توان چرخش آنها را نام برد؛ پيون در ابتدا هيچ چرخشی نداشت، بنابراين، اگر يك فوتون، چرخشی رو به بالا بر محور x خود داشته باشد، فوتون ديگر، براي ايجاد تساوی، بايد دارای يک چرخش رو به پايين بر محور x خود باشد.
اما با توجه به تئوري كوانتوم، يك ويژگی تا زمانی كه اندازه‌گيری نشده باشد، وجود ندارد. بنابراين وقتی فوتون اول اندازه گرفته می‌شود و چرخش رو به بالای آن مشاهده می‌شود، فوتون ديگر، بلافاصله بايد چرخشی رو به پايين به خود بگيرد، حتي اگر يک سال نوری از فوتون اول فاصله داشته باشد. به عقيده انیشتين ، چنين چيزی منطقی نبود. او معتقد بود که فوتون‌ها یا در زمان جدا شدن از يكديگر، اطلاعات مربوط به چرخش را با خود برده بودند، يا اين كه فوتون اول، هنگامی كه مورد بررسی قرار گرفته، اطلاعات چرخش خود را بلافاصله با سرعتی بيشتر از سرعت نور، به فوتون دوم، كه در فاصله بسيار دور از آن قرار دارد، منتقل كرده است. انیشتين اين تأثير را کنش شبح‌وار از راه دور ناميد.
از آنجايی كه اطلاعات نمی‌توانند با سرعتی بيش از سرعت نور منتقل شوند، انیشتين چنين استدلال كرد كه فوتون‌ها، احتمالا دارای «متغيرهای پنهان» هستند كه از زمان به وجود آمدن فوتون‌ها، اطلاعات چرخش را شامل می‌شدند. در تئوری كوانتوم، چنين متغيرهايی وجود نداشتند، پس تئوری وی قطعا ناقص بود.
وایزمن می‌گوید: «اینیشتین هرگز اصول متعارف مکانیک کوانتومی را نپذیرفت و دلیل اصل اساسی مخالفت او همین استدلال ذره منفرد بود. به همین دلیل است که نشان دادن فرو ریزش غیر محلی تابع موج با یک ذره مهم است. نظر اینیشتین این بود که حتی آشکارسازی ذره تنها در یک نقطه می‌تواند توسط این فرضیه بهتر توضیح داده شود که ذره تنها در یک نقطه است و استنادی به فرو ریزش آنی تابع موج در هیچ نقطه دیگر ندارد. با این حال، ما به جای تشخیص ساده وجود یا عدم وجود ذره، از اندازه‌گیری هموداین برای ایجاد بخشی جهت انجام اندازه‌گیری‌های مختلف و از سوی دیگر، از توموگرافی کوانتومی، برای آزمایش اثر این بخش استفاده کردیم.»
آشکارسازی هموداین یک روش آشکارسازی تابش با فرکانس مدوله شده توسط ترکیب کردن غیر خطی آن با تابش فرکانس مرجع است که در واقع همان اصل حاکم بر آشکارسازی هیتروداین می‌باشد. در واقع در تداخل نوری، هموداین به این معنی است که تابش مرجع (برای مثال نوسان‌ساز محلی) ناشی از همان منبع سیگنالی است که قبل از فرآیند مدولاسیون ایجاد شده است. به عنوان مثال، در یک اندازه گیری پراش لیزر، پرتوی لیزر به دو قسمت تقسیم می‌شود. یکی از این دو پرتو نوسان‌ساز محلی است و دیگری برای بررسی به سیستم فرستاده می‌شود. سپس نور پراکنده شده با نوسان‌ساز محلی در آشکارساز ترکیب می‌شوند. مزیت ترکیب شدن با این آرایش غیر حساس شدن به نوسانات فرکانس لیزر است. معمولا پرتوی پراکنده شده ضعیف خواهد بود، که در این صورت جزء ثابت خروجی آشکارساز، معیار خوبی از شدت نوسان‌ساز محلی آنی است و بنابراین می تواند برای جبران هر گونه نوسان در شدت لیزر استفاده شود.
وایزمن می‌گوید: «از طریق این اندازه گیری‌های مختلف، می‌توانیم فرو ریزش تابع موج را به روش‌های مختلف ببنیم، در نتیجه وجود آن را اثبات کنیم و نشان دهیم که اینیشتین در اشتباه بود.»
در مکانیک کوانتومی، فروریزش تابع موج (یا فروریزش بردار حالت) پدیده‌ای است که در آن یک تابع موج که ابتدا در یک برهم نهی از چند حالت ویژه ممکن برای آن است، بعد از برهم کنش با یک مشاهده‌گر به یکی از حالت‌های ویژه تغییر حالت می‌دهد. طبق اصل‌های مکانیک کوانتومی ارائه شده توسط جان فون نویمان، این فرآیند یکی از دو فرآیند ممکن برای سامانه کوانتومی برای تحول است. در مورد واقعیت و اصالت این پدیده نظرهای زیادی مطرح است، برخی این پدیده را یک پدیده مستقل و برخی آن را یک پدیده ثانویه ناشی از پدیده‌ای دیگر مانند ناهمدوسی کوانتومی می‌دانند.
ثمین موتمن فر/ کارشناس ارشد الکترونیک نوری
No tags for this post.
