کنترل حرکت کوانتومی و ابردرهم‌تنیدگی

عنوان خبر: کنترل حرکت کوانتومی و ابردرهم‌تنیدگی
ژانر/موضوع: فیزیک

تاریخ انتشار خبر: 22 مه 2025
لینک خبر: caltech.edu

چکیده:

پژوهشگران Caltech برای نخستین بار موفق به ایجاد ابر‌درهم‌تنیدگی (hyper-entanglement) در ذرات جرم‌دار شدند. آنها با استفاده از انبرک‌های نوری (لیزرهای متمرکز)، توانستند هم سطوح انرژی داخلی و هم حرکت خارجی اتم‌ها را به‌طور همزمان درهم‌تنیده کنند. حرکت اتمی که معمولاً به‌عنوان نویز مزاحم شناخته میشود، در این پژوهش با یک روش سردسازی نوین که شامل اندازه‌گیری و اصلاح حرکت هر اتم به‌صورت جداگانه بود، به یک ویژگی مفید تبدیل شد—و حتی از سردسازی لیزری سنتی بهتر عمل کرد. اتم‌ها در حالت برهم‌نهی کوانتومی حرکت قرار گرفتند و در فواصل میکرومتری درهم‌تنیده شدند، سپس با حالت‌های الکترونیکی‌شان نیز ابر‌درهم‌تنیده شدند. این کار، ظرفیت اطلاعات کوانتومی را افزایش داده و افق‌های جدیدی در رایانش کوانتومی، شبیه‌سازی و اندازه‌گیری دقیق می‌گشاید. این اولین باری است که hyper-entanglement در ذرات دارای جرم نشان داده میشود و فراتر از کارهای قبلی با فوتون‌ها میرود.

شرح کامل خبر:

در پیشرفتی انقلابی در علم اطلاعات کوانتومی، پژوهشگران مؤسسه فناوری کلتک برای نخستین بار موفق به نمایش ابر‌درهم‌تنیدگی در ذرات درای جرم (hyper-entanglement in massive particles)، به‌ویژه اتم‌های خنثی، شدند. این مطالعه که در مجله Science منتشر شده، به سرپرستی فیزیک‌دان مانوئل اندرس و تیم او انجام شده و گامی بزرگ در توسعه ابزارهای کنترل کوانتومی به شمار می‌رود، چرا که اطلاعات کوانتومی را هم در حالت های الکترونیکی داخلی و هم حالت‌های حرکتی خارجی اتم‌های منفرد کدگذاری کرده است.

ابردرهم‌تنیدگی به درهم‌تنیدگی ذرات در بیش از یک درجه آزادی اشاره دارد – در این مورد، سطوح انرژی الکترونیکی و حالت‌های حرکتی (یعنی نوسان فضایی اتم‌ها). تحقق‌های قبلی ابردرهم‌تنیدگی به ذرات بدون جرم مانند فوتون‌ها محدود می‌شد. این اولین نمایش از این دست است که شامل ذرات جرم‌دار می‌شود و مرزهای جدیدی را برای محاسبات کوانتومی، شبیه‌سازی کوانتومی و اندازه‌گیری دقیق باز می‌کند.

در قلب این آزمایش از انبرک‌های نوری (optical tweezers) استفاده شده—پرتوهای لیزری بسیار متمرکز که اتم‌های منفرد را به دام می‌اندازند. تیم تحقیقاتی از اتم‌های قلیایی‌خاکی استفاده کردند که به دلیل گذارهای باریک طیفی، برای کنترل دقیق و منطق کوانتومی بسیار مناسب‌اند.

یکی از نوآورانه‌ترین جنبه‌های این آزمایش، تبدیل حرکت اتمی—که معمولاً یک منبع مزاحم نویز در سیستم‌های کوانتومی است—به یک درجه آزادی قابل استفاده کوانتومی بود. پژوهشگران با توسعه روشی نوین برای سردسازی و فیدبک اتم به اتم، موفق شدند حرکت هر اتم را اندازه‌گیری کرده و عملیات اصلاحی متناسب انجام دهند. اندرس این روش را مشابه «Maxwell’s demon» توصیف می‌کند. این روش فعال، سردسازی لیزری سنتی را پشت سر گذاشت و اتم‌ها را تا نزدیک‌ترین حالت ممکن به حالت پایه حرکتی رساند.

پس از سرد شدن، اتم‌ها وادار به نوسان‌های آونگ‌مانند با دامنه‌ای در حدود ۱۰۰ نانومتر شدند. پژوهشگران توانستند برهم‌نهی کوانتومی در حرکت اتم‌ها ایجاد کنند، به‌طوری که هر اتم همزمان در دو حالت نوسانی قرار می‌گیرد. اندرس این پدیده را مانند کودکی روی تاب توصیف می‌کند که از دو طرف توسط والدین به‌صورت همزمان هل داده می‌شود—اتفاقی که در دنیای کلاسیک غیرممکن، اما در مکانیک کوانتومی ممکن است.

پس از تولید برهم‌نهی حرکتی، اتم‌ها در حرکت خود در فواصل چند میکرومتری درهم‌تنیده شدند. سپس، حالت‌های الکترونیکی و حالت‌های حرکتی نیز به‌صورت همزمان ابر‌درهم‌تنیده شدند—یعنی هر دو ویژگی به‌صورت کوانتومی با یکدیگر همبسته‌اند. این پدیده، ظرفیت اطلاعات کوانتومی را در هر ذره افزایش می‌دهد و نیاز به منابع فیزیکی را کاهش می‌دهد.

این نوع درهم‌تنیدگی دوگانه نه‌تنها درک بنیادی ما از سیستم‌های کوانتومی را غنی‌تر می‌سازد، بلکه منبعی جدید برای پردازش اطلاعات کوانتومی فراهم می‌کند. توانایی در کنترل همزمان حالات داخلی و خارجی اتم‌ها مزایایی همچون موارد زیر را به همراه دارد:

• چگالی بالاتر اطلاعات کوانتومی در هر اتم
• بهبود روش‌های اصلاح خطا
• شبیه‌سازی‌های کوانتومی پیشرفته‌تر برای سیستم‌های پیچیده
• مسیرهای جدید برای ساعت‌سازی بسیار دقیق و اندازه‌گیری‌های حساس

اندرس این پژوهش را گسترشی چشمگیر در کنترل سامانه‌های اتمی دانست. این نتیجه نشان می‌دهد که حرکت اتمی، به‌جای مانع بودن، می‌تواند یک مزیت مهم در فناوری‌های کوانتومی آینده باشد و امکان درهم‌تنیدن هم‌زمان ویژگی‌های بیشتری را برای هر اتم فراهم می‌کند.

منابع:

[1] https://www.caltech.edu/about/news/controlling-quantum-motion-and-hyper-entanglement#:~:text=Manuel%20Endres%2C%20professor%20of%20physics,fundamental%20properties%20of%20quantum%20systems

[2] https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn2618

دیدگاه خود را درباره این خبر با ما به اشتراک بگذارید.