تیمی به سرپرستی پروفسور ایرانی درهای جدیدی به روی علم کوانتوم باز کرد!

به گزارش phys.org اگر بخواهیم مفهوم در هم تنیدگی را به یک جفت کفش تشبیه کنیم، درهم تنیدگی را می توان به انتخاب یک کفش به صورت تصادفی تشبیه کرد. اگر شما یکی از کفش ها را شناسایی کنید، بدون توجه به موقعیت آن در جهان، ماهیت کفش دیگر، فوراً تشخیص داده می شود. با این حال، عامل جذاب، عدم قطعیت ذاتی مرتبط با فرآیند شناسایی تا لحظه دقیق مشاهده است.

تابع موج، یک اصل مرکزی در مکانیک کوانتومی، درک جامعی از حالت کوانتومی ذره ارائه می دهد. به عنوان مثال، در مثال کفش، «تابع موج» کفش می تواند اطلاعاتی مانند چپ یا راست، اندازه، رنگ و غیره را در بر داشته باشد. به طور دقیق‌تر، تابع موج دانشمندان کوانتومی را قادر می‌سازد تا نتایج احتمالی اندازه‌گیری‌های مختلف را روی یک موجود کوانتومی پیش‌بینی کنند، به عنوان مثال. موقعیت، سرعت و غیره.

این قابلیت پیش‌بینی بسیار ارزشمند است، به‌ویژه در زمینه فناوری کوانتومی که به سرعت در حال پیشرفت است، جایی که دانستن یک حالت کوانتومی تولید شده یا ورودی در یک رایانه کوانتومی امکان آزمایش خود رایانه را فراهم می‌کند. علاوه بر این، حالت‌های کوانتومی مورد استفاده در محاسبات کوانتومی بسیار پیچیده هستند و موجودیت‌های زیادی را در بر می‌گیرند که ممکن است درهم تنیدگی قوی از خود نشان دهند.

دانستن عملکرد موج چنین سیستم کوانتومی یک کار چالش برانگیز است، این به عنوان توموگرافی حالت کوانتومی یا به طور خلاصه توموگرافی کوانتومی نیز شناخته می شود. با رویکردهای استاندارد بر اساس عملیات پروژکتوری، یک توموگرافی کامل نیاز به تعداد زیادی اندازه گیری دارد که با پیچیدگی سیستم به سرعت افزایش می یابد.

آزمایش‌های قبلی که با این رویکرد توسط گروه تحقیقاتی انجام شد، نشان داد که تعیین یا اندازه‌گیری حالت کوانتومی با ابعاد بالا دو فوتون درهم‌تنیده می‌تواند ساعت‌ها یا حتی روزها طول بکشد. علاوه بر این، کیفیت نتیجه بسیار حساس به نویز است و به پیچیدگی تنظیمات آزمایشی بستگی دارد.

رویکرد اندازه‌گیری تصویری برای توموگرافی کوانتومی را می‌توان به‌عنوان نگاه کردن به سایه‌های یک جسم با ابعاد بالا که از جهات مستقل بر روی دیوارهای مختلف پخش می‌شود، در نظر گرفت. تنها چیزی که یک محقق می تواند ببیند سایه ها است و از آنها می تواند شکل و وضعیت جسم کامل را استنتاج کند. به عنوان مثال، در سی تی اسکن «اسکن توموگرافی کامپیوتری»، اطلاعات یک شی سه بعدی را می توان از مجموعه ای از تصاویر دو بعدی بازسازی کرد.

اما در اپتیک کلاسیک راه دیگری برای بازسازی یک شی سه بعدی وجود دارد. این هولوگرافی دیجیتال نامیده می شود و بر اساس ثبت یک تصویر منفرد به نام تداخل نگاری است که با تداخل نور پراکنده شده توسط جسم با نور مرجع به دست می آید.

این تیم به سرپرستی ابراهیم کریمی، رئیس پژوهشی کانادا در امواج کوانتومی ساختاریافته، مدیر مشترک مؤسسه تحقیقاتی فناوری‌های کوانتومی «Nexus «NexQT و دانشیار دانشکده علوم، این مفهوم را به دو فوتون تعمیم داد.

بازسازی یک حالت دو فوتونی مستلزم قرار دادن آن با یک حالت کوانتومی احتمالاً شناخته شده، و سپس تجزیه و تحلیل توزیع فضایی موقعیت‌هایی است که دو فوتون به طور همزمان می‌رسند. تصویربرداری از ورود همزمان دو فوتون به عنوان یک تصویر تصادفی شناخته می شود. این فوتون ها ممکن است از منبع مرجع یا منبع ناشناخته آمده باشند. مکانیک کوانتومی بیان می کند که منبع فوتون ها قابل شناسایی نیست.

این منجر به یک الگوی تداخلی می شود که می تواند برای بازسازی تابع موج ناشناخته استفاده شود. این آزمایش توسط دوربین پیشرفته ای امکان پذیر شد که رویدادها را با وضوح نانوثانیه بر روی هر پیکسل ثبت می کند.

دکتر آلسیو د اریکو، عضو فوق دکتری در دانشگاه اتاوا و یکی از نویسندگان مقاله، مزایای بی‌شمار این رویکرد نوآورانه را برجسته می‌کند:«این روش به‌طور تصاعدی سریع‌تر از تکنیک‌های قبلی است و به جای روزها، تنها به دقیقه یا چند ثانیه نیاز دارد. نکته مهم این است که زمان تشخیص تحت تأثیر پیچیدگی سیستم نیست.»

تأثیر این تحقیق فراتر از جامعه دانشگاهی است. این پتانسیل برای سرعت بخشیدن به پیشرفت های فناوری کوانتومی، مانند بهبود خصوصیات وضعیت کوانتومی، ارتباطات کوانتومی، و توسعه تکنیک های جدید تصویربرداری کوانتومی را دارد.