پرورش گربه شرودینگر برای پرسه زدن در دنیای کوانتوم

 الکساندر لوسکى، فیزیکدانى که رهبری تیمی از دانشگاه کالگرى و مرکز کوانتومی روسیه را بر عهده دارد، بیان کرد: یکی از پرسش های اساسی فیزیک، مرز بین دنیای فیزیک کلاسیک و کوانتومی می باشد. آیا پدیده کوانتومی می تواند تحت شرایط ایده آل در اشیای ماکروسکوپى مشاهده شود؟ نظریه ها در حال حاضر نمی تواند برای این پرسش، پاسخی ارائه کند، شاید اصلاً چنین مرزی وجود نداشته باشد. ما به ابزاری برای تایید آن نیاز داریم. گربه شرودینگر اصلی این حالت های آزمایشی را مد نظر دارد که اگر گربه زنده ای را در جعبه ای مقاوم در برابر انفجار به همراه یک بمب قرار دهید، تا زمانی که جعبه را باز نکرده باشید نمی توانید بگوئید که بمب منفجر شد یا خیر. همچنین از مرگ گربه نیز مطمئن نیستید. شاید بمب منفجر نشده و گربه هنوز زنده است.

از دیدگاه ما تا زمانیکه جعبه بسته است، گربه دو واقعیت را برای ما نمایان می سازد. هم زنده است و هم مُرده، زیرا امکان تایید احتمال مرگ یا زندگی آن برای ما وجود ندارد. اما باید یکی از این دو حالت اتفاق بیفتد. این فقط یک سؤال فرضی نیست؛ در فیزیک کوانتومی، بودن در دو حالت مختلف بصورت همزمان به “اصل بر هم نهی” معروف است که مبنای کلی محاسبات کوانتومی را تشکیل می دهد. این می تواند در نحوه پردازش داده ها در آینده انقلابی ایجاد کند.

چون این سناریوی فرضی در سال ۱۹۳۵ میلادی به پیشنهاد رسید، فیزیکدانان نحوه انجام آزمایش را با استفاده از فوتون های ریز موج پیدا کرده اند؛ یعنی تا زمانیکه شخصی پولاریزاسیون(قطبش) را اندازه نگرفته باشد، امکان پولاریزه کردن آن در دو جهت افقی و عمودی بصورت همزمان وجود دارد. فیزیکدانان از این روش برای ایجاد دو گربه شرودینگر بصورت همزمان در دو جعبه کوانتومی بهره برده اند؛ منظور از گربه، ذرات نور است نه گربه های واقعی. آنان سال گذشته توانستند برای نخستین بار از این پدیده در اتم ها فیلم بگیرند.

اما حالا لووسکى و تیمش از چگونگی ِ ایجاد گربه های بزرگتر با فراوانی بالاتر سر در آورده اند؛ کاری که در گذشته میسر نبود. در این آزمایش، بر هم نهی دو موج نوری هم فاز به انجام می رسد. طوریکه میادین امواج الکترومغناطیسی بصورت همزمان در دو جهت مخالف گردش می کنند. سپس آنان با گذراندن این امواج از درون جدا ساز پرتو به ایجاد گربه هایی با فراوانی بالا پرداختند. لووسکى این چنین توضیح داد: این کار به یک حالتدر هم تنیدگی در دو کانال خروجی آن جدا ساز پرتو منجر می گردد. دستگاه آشکارساز ویژه ای در یکی از این کانال ها قرار داده شده است. دستگاه آشکارساز نتیجه خاصی را نشان می دهد: یک گربه در خروجی دوم متولد شده که انرژی آن دو برابر بیشتر از انرژی اولی است.

هنگامی که تیم به اندازه گیری نتایج پرداخت، به این نکته رسید که امکان تبدیل یک جفت گربه شرودینگر منفی به دامنه ۱٫۱۵ به یک گربه شرودینگر مثبت با دامنه ۱٫۸۵ وجود دارد. همچنین، می توان آزمایش را برای ایجاد چند هزار گربه بزرگتر تکرار کرد. دمید سیچف، دانشجوی فارغ التحصیل از مرکز کوانتومی روسیه و یکی از اعضای تیم گفت: تکرار راهکار از اهمیت بالایی برخوردار است. لذا با هم پوشانی گربه های جدید در دستگاه جداساز پرتو، زمینه برای ایجاد گربه ای با انرژی زیاد فراهم می شود. بنابراین، در نوردیدن مرزهای دنیای کوانتومی بصورت گام به گام مقدور است. کار سختی به نظر می آید، اما می تواند درک ما را نسبت به قوانین فیزیک حاکم بر جهان دستخوش تغییر قرار بدهد.

ما می دانیم که قوانین حوزهٔ کوانتومی باید به نحوی به حوزه کلاسیک مرتبط گردد؛ بنا به حوزه کوانتومی، نحوه عملکرد اتم ها در مقیاس های بسیار کوچک توضیح داده می شود. اما قوانین حاکم بر سیستم های بزرگتر مثل ستارگان، موشک ها و انسان ها در حوزه کلاسیک به بررسی می رسند. به نظر نمی رسد گرانش به همان شیوه که در دنیای ما عمل می کند، سیستم های کوانتومی را تحت تاثیر قرار بدهد؛ فیزیک کلاسیک نیز نمی تواند فعالیت اسرارآمیز در فاصله ای از در هم تنیدگی کوانتومی را توضیح دهد. اگر مرزی را که سیستم های کوانتومی در آن تحت قوانین فیزیک کلاسیک قرار دارند، مشخص کنیم می توانیم سرانجام از تفکیک میان این دو حوزه آگاهی یابیم. شاید گربه های شرودینگر ما را به این مقصد برسانند. جزئیات بیشتر این پژوهش در نشریۀ Nature Photonics منتشر شده است.