درهم‌تنیدگی جدید فوتون‌ها که آینده فناوری را تغییر می‌دهد!

مطالعه‌ای از موسسه فناوری تخنیون (Technion) نوع جدیدی از درهم‌تنیدگی کوانتومی در اندازه کل ممان زاویه‌ای فوتون‌ها در ساختار‌های نانومتریک را آشکار کرده است. این کشف می‌تواند نقشی کلیدی در مینیاتوری‌سازی اجزای ارتباطات و محاسبات کوانتومی در آینده ایفا کند.

فیزیک کوانتومی گاهی پیش‌بینی‌هایی بسیار غیرمعمول ارائه می‌دهد. این اتفاق زمانی رخ داد که آلبرت اینشتین و همکارانش، بوریس پودولسکی و ناتان روزن (که بعد‌ها دانشکده فیزیک تخنیون را تأسیس کردند)، سناریویی پیدا کردند که در آن، دانستن وضعیت یک ذره، بلافاصله وضعیت ذره دیگر را تحت تأثیر قرار می‌دهد، بدون توجه به فاصله بسیار زیاد میان آنها. مقاله تاریخی آنها در سال ۱۹۳۵ به نام EPR شناخته می‌شود، که برگرفته از حروف اول نام نویسندگانش (اینشتین، پودولسکی، روزن) است.

به گزارش فیزیکس اوآرجی، ایده‌ای که بر اساس آن دانستن وضعیت یک ذره، تأثیری بر ذره‌ای دیگر در فاصله‌ای بسیار دور می‌گذارد، بدون تعامل فیزیکی و انتقال اطلاعات، به نظر اینشتین احمقانه می‌آمد و او آن را «عمل ارواح از راه دور» نامید.

اما کار‌های پیشگامانه پژوهشگر دیگری از تخنیون، آشر پرس از دانشکده فیزیک، نشان داد که این ویژگی می‌تواند برای انتقال اطلاعات به شکلی پنهان استفاده شود—که به آن «تلپورتیشن کوانتومی» گفته می‌شود و مبنای ارتباطات کوانتومی است. این کشف توسط پرس و همکارانش، چارلز بنت و ژیل براسارد، انجام شد.

این پدیده بعد‌ها نام «درهم‌تنیدگی کوانتومی» را به خود گرفت و برای اندازه‌گیری آن و تأثیرات آن، که شامل امکان‌پذیری محاسبات کوانتومی و ارتباطات کوانتومی می‌شود، جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۲۲ به آلن اسپکت و آنتون زیلینگر، که پیشتر دکترای افتخاری از تخنیون دریافت کرده بودند، و همکارشان جان کلاوزر اهدا شد.

درهم‌تنیدگی کوانتومی تا به حال برای انواع مختلفی از ذرات و ویژگی‌های آنها نشان داده شده است. برای فوتون‌ها، ذرات نور، درهم‌تنیدگی می‌تواند برای جهت حرکت، فرکانس (رنگ) یا جهت میدان الکتریکی آنها وجود داشته باشد. همچنین می‌تواند برای ویژگی‌هایی که تصور آنها سخت‌تر است، مانند ممان زاویه‌ای، وجود داشته باشد.

این ویژگی به دو بخش تقسیم می‌شود: اسپین، که به چرخش میدان الکتریکی فوتون مربوط است و اوربیت، که به حرکت چرخشی فوتون در فضا مربوط می‌شود. این مشابه به چرخش زمین حول محور خود و همچنین چرخش آن در مسیر دایره‌ای به دور خورشید است.

ما به راحتی می‌توانیم این دو ویژگی چرخشی را به عنوان مقادیر جداگانه تصور کنیم، و در واقع فوتون‌ها در یک پرتو نور بسیار گسترده‌تر از طول موج خود، این دو ویژگی را به راحتی تفکیک می‌کنند. اما زمانی که سعی می‌کنیم فوتون‌ها را در ساختار‌های کوچکتر از طول موج فوتونی قرار دهیم—که هدف زمینه نانوفتونیک است—متوجه می‌شویم که نمی‌توان ویژگی‌های چرخشی مختلف را جدا کرد و فوتون تنها با یک ویژگی مشخص می‌شود، که همان ممان زاویه‌ای کل است.

پس چرا می‌خواهیم فوتون‌ها را در چنین ساختار‌های کوچکی قرار دهیم؟ دو دلیل اصلی برای این کار وجود دارد. یکی آشکار است—این کمک می‌کند تا دستگاه‌هایی که از نور استفاده می‌کنند، مینیاتوری شوند و به این ترتیب می‌توان عملیات بیشتری را در یک سلول کوچک جای داد، مشابه به مینیاتوری شدن مدار‌های الکترونیکی.

دلیل دیگر حتی مهم‌تر است: این مینیاتوری‌سازی باعث افزایش تعامل بین فوتون و ماده‌ای می‌شود که فوتون از آن عبور می‌کند (یا در نزدیکی آن قرار دارد)، و این امر به ما این امکان را می‌دهد که پدیده‌ها و کاربرد‌هایی را ایجاد کنیم که با فوتون‌ها در ابعاد «عادی» آنها ممکن نیست.

در مطالعه‌ای که در مجله Nature منتشر شده است، محققان تخنیون به رهبری دانشجوی دکترای امیت کام و شای تسس، کشف کردند که می‌توان فوتون‌ها را در سیستم‌های نانومتریک که هزارم اندازه یک موی انسان هستند درهم‌تنیدگی کرد، اما درهم‌تنیدگی نه با ویژگی‌های معمول فوتون‌ها مانند اسپین یا مسیر حرکت، بلکه تنها با ممان زاویه‌ای کل انجام می‌شود.

محققان تخنیون فرایندی را که فوتون‌ها از مرحله وارد شدن به سیستم نانومتریک تا خروج از سیستم اندازه‌گیری طی می‌کنند، آشکار کرده‌اند و دریافتند که این انتقال، فضای وضعیت‌هایی را که فوتون‌ها می‌توانند در آنها قرار گیرند، غنی می‌کند.

در مجموعه‌ای از اندازه‌گیری‌ها، محققان آن وضعیت‌ها را نقشه‌برداری کردند، آنها را با ویژگی منحصر‌به‌فرد سیستم‌های نانومتریک درهم‌تنیدند و تطابق میان جفت‌های فوتونی که نشان‌دهنده درهم‌تنیدگی کوانتومی است را تأیید کردند.

این اولین کشف درهم‌تنیدگی کوانتومی جدید در بیش از ۲۰ سال گذشته است و ممکن است در آینده به توسعه ابزار‌های جدید برای طراحی اجزای ارتباطات و محاسبات کوانتومی مبتنی بر فوتون و همچنین مینیاتوری‌سازی قابل توجه آنها منجر شود.

انتهای پیام/