8 دقیقه
(Loren Zemlicka/Moment/Getty Images)
در فیزیک کلاسیک، اندازهگیری زمان ساده و مستقیم است: ساعت را در «قبل» راه‌اندازی می‌کنیم و در «حالا» متوقف می‌کنیم. اما در مقیاس کوانتومی، مفهوم یک شروع یا پایان قطعی ممکن است مبهم شود. پژوهشگران دانشگاه اوپسالا روشی جایگزین برای زمان‌سنجی رویدادهای فوقسریع ارائه کرده‌اند که نیازی به تعریف دقیق نقطه شروع ندارد. در این رویکرد، الگوهای تداخل متمایزی که توسط بستههای موج ریدبرگ ساخته می‌شوند خوانده می‌شوند و این الگوها به‌عنوان نشانگرهای زمانی درونیِ کوانتومی عمل می‌کنند.
تصویرسازی یک اتم ریدبرگ
پیش‌زمینه علمی: اتم‌های ریدبرگ و بستههای موج چیستند؟
اتم‌های ریدبرگ، اتم‌هایی هستند که الکترون‌هایشان در حالات انرژی بسیار بالا قرار دارند و دورتر از هسته حرکت می‌کنند. این حالات معمولاً با استفاده از پالسی‌های لیزری ایجاد و کنترل می‌شوند و به‌دلیل این قابلیت، اتم‌های ریدبرگ ابزار منعطفی برای آزمایش‌های اپتیک کوانتومی و اطلاعات کوانتومی به شمار می‌آیند. از آنجا که الکترون نسبتاً ضعیفاً به هسته متصل است، رفتار آن حساسیت بالایی به میدان‌های خارجی و اثرات تداخل کوانتومی نشان میدهد که این ویژگی برای حسگری و کنترل کوانتومی حیاتی است.
زمانی که یک اتم به ابرموقعیتِ چندین حالت انرژی ریدبرگ رانده می‌شود، حرکتِ جمعیِ اجزای تشکیل‌دهنده با نمادی به نام بسته موج ریدبرگ توصیف می‌شود. بسته موج، ترکیبی از مؤلفه‌های فرکانسی مختلف است که فازهای نسبی میان این مؤلفه‌ها تعیین‌کننده شکل و تکامل زماني بسته است. اگر در یک اتم یا یک مجموعه چند بسته موج همزمان وجود داشته باشند، این بسته‌ها با یکدیگر تداخل می‌کنند و الگوهای مکانی-زمانی مشخصی را ایجاد می‌کنند. این الگوهای تداخلی مانند اثر انگشتِ سیستم عمل می‌کنند: هر الگو اطلاعاتی دربارهٔ تطور زمانی نسبیِ حالات زیرین رمزنگاری شده دارد.
نکتهٔ کلیدی این است که در مقابل کرنومتر کلاسیک که به یک لحظهٔ شروع t = 0 نیاز دارد، امضای تداخلی از بستر دینامیک درونی سیستم پدید می‌آید. به عبارت دیگر، خودِ الگو حامل اطلاعات زمانی است و دیگر نیازی به تحمیل زمان آغاز از خارج به سیستم نیست؛ این ویژگی امکان خواندن «تاریخچهٔ کوانتومی» را از درونِ سیستم فراهم می‌سازد.
آزمایش و نتایج: هلیوم تحریک‌شده با لیزر و زمان‌برچسب‌های کوانتومی
تیم اوپسالا از روش طیفسنجی پمپ–پروب روی اتم‌های هلیوم برای ایجاد و مشاهده بستههای موج ریدبرگ استفاده کرد. در پیکربندی پمپ–پروب، پالس اول (پمپ) سیستم را تحریک میکند و پالس دوم (پروب) پس از تأخیری متغیر وضعیت آن را آزمایش میکند. در روش‌های سنتی پمپ–پروب، زمان‌بندی دقیقِ آن تأخیر برای تعیین تکامل دینامیکی ضروری است و دقت اندازهگیری مستقیماً به کنترل تأخیر وابسته است. روش تازه به‌جای اتکا به مقدار عددیِ تأخیر، ساختار تداخلی میان حالات ریدبرگ ایجادشده را تحلیل میکند.
محققان با مقایسهٔ الگوهای تداخلی اندازهگیریشده با پیش‌بینی‌های نظری، یک «کتاب‌راهنما» یا نگاشت ایجاد کردند که الگوهای خاص تداخلی را به زمان‌های گذشته مرتبط میکند. به عبارت دیگر، به جای شمارش از نقطهٔ صفر معلوم، تکنسین‌ها میتوانند اثر انگشتی بسته موج را مشاهده کنند و مقدار زمانی متناظر را بخوانند — مثلاً تشخیص دهند که یک ساختار تداخلیِ در حال تکامل متناظر با چند نانوثانیه است یا در پیکربندی‌های دیگر با بازه‌های زمانی به اندازهٔ حدود 1.7 تریلیونوم (1.7 پیكوثانیه) متناظر است.
این زمان‌برچسبِ کوانتومی بر پویایی‌های بسته موجیِ به‌خوبی‌شناخته متکی است. آزمایش‌های روی هلیوم به عنوان اثبات مفهوم انجام شد: داده‌های تجربی به قدر کافی با الگوهای تئوری تطابق داشتند تا نشان دهند امکان زمان‌سنجی قابل اعتماد بدون تعریف شروع وجود دارد. همان‌طور که تیم اوپسالا خلاصه کرده‌اند، این روش بار مسئولیت را از تعیین زمان شروع مطلق به شناسایی و تفسیر امضاهای ذاتی کوانتومی منتقل میکند. این تغییر پارادایم میتواند مزایای عملی در شرایطی که خودِ آمادهسازی سیستم موجب عدم قطعیتِ زمانی می‌شود یا ثبت نقطهٔ شروع عملاً ناممکن است، فراهم آورد.
برای درک بهترِ محدودهٔ عملیاتی و دقت این روش، پژوهشگران به تحلیل منابع خطا و شبهه‌ها پرداختند: اثرات ناهمخوانی پالسها، پراکندگی کوانتومی (decoherence)، ناپایداری فاز لیزر و خطاهای آشکارسازی همگی میتوانند شکل الگو را تغییر دهند و بنابراین باید در مرحلهٔ ساخت نگاشت زمانی-الگو به دقت مدلسازی و کالیبره شوند. در اینجا نقش شبیهسازیهای عددی و بازسازی فازی (phase retrieval) پررنگ است؛ این ابزارها به تفکیک مواردی که تغییر شکل الگو ناشی از تکامل زمانی است یا به دلیل نویز و خطا رخ داده کمک می‌کنند.
کاربردها و پیامدها برای اندازهگیری فوقسریع
زمانبرچسبی کوانتومی مبتنی بر تداخل بسته موج‌های ریدبرگ چندین مزیت امیدبخش ارائه میدهد که هم برای تحقیقات پایه و هم کاربردهای صنعتی-فناورانه اهمیت دارد:
- تقویت طیفسنجی پمپ–پروب: این تکنیک میتواند روش‌های پمپ–پروب موجود را تکمیل کند و اجازه دهد فرایندهایی را اندازهگیری کنیم که تعیین لحظهٔ دقیق t = 0 در آن‌ها دشوار یا غیرممکن است؛ به‌ویژه در نمونه‌هایی که آمادهسازی خود مقیاس زمانیِ قابل توجهی دارد یا از نظر فنی قابل همگامسازی دقیق نیستند.
- فنون اندازهگیری و متروژی کوانتومی: زمان‌برچسب‌های ذاتی کوانتومی میتوانند کالیبراسیون و رفرنس‌دهی اندازه‌گیری‌های فوقسریع در سامانه‌های جامد و اتمی را بهبود دهند. به‌عنوان مثال، در متروژی اپتیکی و تعیین زمان‌های واکنش سریعِ ماده، خواندن مستقیم امضاهای تداخلی میتواند خطاهای مبتنی بر تاخیرهای مرجع را کاهش دهد.
- محاسبات و حسگرهای کوانتومی: حالات ریدبرگ هم‌اکنون برای پیاده‌سازی گیت‌های کوانتومی و حسگرها از اهمیت برخوردارند؛ زمان‌سنجی مبتنی بر تداخل میتواند برای تشخیص و همگامسازی عملیات درون دستگاههای کوانتومی یا بررسی خطاها و نویزها به‌کار رود. این کاربرد میتواند در توسعه مدارهای کوانتومی و آرایه‌های اتمی موثر واقع شود.
کارهای بعدی میتوانند کتاب‌راهنمای نگاشت الگو-به-زمان را با استفاده از اتم‌های مختلف، تغییر انرژی پالس‌های لیزری، یا طراحی ابرموقعیت‌های خاص گسترش دهند. چنین توسعه‌هایی محدودهٔ زمانی قابل‌استفاده و شرایط عملیاتی روش را وسعت میدهد و میتواند بازهٔ فرکانسی قابل دسترسی را به دامنه‌های کوتاه‌تر (زیر پیكوثانیه) و بازه‌های بلندتر (نانوثانیه و بیشتر) بسط دهد؛ که انتخاب اتم، عرض و شکل پالس، و طراحی میدان‌های خارجی تعیین‌کنندهٔ این مقیاس‌ها خواهند بود.
نکتهٔ کارشناسی
دکتر النا مورالس، پژوهشگر اپتیک کوانتومی در Institute for Photonic Sciences (نمونهٔ فرضی)، می‌گوید: «زمان‌سنجی مبتنی بر تداخل یک بازاندیشی هوشمندانه در معنای «اندازهگیری زمان» در مقیاس‌های کوانتومی است. به‌جای آن‌که تلاش کنیم یک ساعت کلاسیک را روی سیستم کوانتومی تحمیل کنیم، این روش اجازه میدهد سیستم تاریخچهٔ خود را از طریق الگوهای قابل اندازهگیری اعلام کند. این امر برای آزمایش‌هایی که تعیین شروع مطلق عملی نیست یا خودِ آمادهسازی سیستم عدم قطعیت زمانی به همراه دارد، مخصوصاً مفید است.»
علاوه بر این دیدگاه، کارشناسان فنی بر چند نکتهٔ اجرایی تأکید می‌کنند: دقت خواندن زمان از روی الگو به وضوحِ تفکیک‌پذیری اندازهگیری و کیفیت مدلسازی نظری وابسته است. برای مثال، برای دستیابی به تفکیک زمانی در حد پیكوثانیه یا کمتر، لازم است که کنترل فازهای نسبی پالسها و تصحیح تغییر فازهای ناشی از انتشار در محیط‌های آزمایشی با دقت بالایی انجام شود. استفاده از پالس‌های شکل‌دهی‌شده (pulse shaping) و تثبیت فرکانسِ لیزرها بخشی از راهکارهای عملی برای رسیدن به این دقت هستند.
نتیجه‌گیری
آزمایش‌های اوپسالا مسیر جدیدی برای زمان‌سنجی فوقسریع نشان می‌دهند که به‌جای نشانگرهای شروع-پایان خارجی، از دینامیک درونی سامانه‌های کوانتومی بهره می‌برد. با فهرست‌بندی الگوهای تداخلی بسته موج‌های ریدبرگ، پژوهشگران میتوانند برچسب‌های زمانی درونی بخوانند که در طیف وسیعی از مقیاس‌های زمانی کاربرد دارند. این رویکرد نه‌تنها توان پمپ–پروب را تقویت میکند، بلکه ابزارهای جدیدی برای متروژی کوانتومی فراهم می‌آورد و میتواند مزایای عملی برای فناوری‌های کوانتومی داشته باشد. هنگامی که کتاب‌راهنمای الگو-به-زمان به اتمها و شرایط لیزری دیگر گسترش یابد، زمانبرچسبی کوانتومی ممکن است به یک تکنیک استاندارد برای اندازهگیری رویدادهای گذرا تبدیل شود؛ به‌ویژه در موقعیت‌هایی که ساعت‌های معمولی یا روش‌های همگامسازی کلاسیک کاربردی ندارند.
به‌طور خلاصه، این روش به پژوهشگران اجازه میدهد تا «ساعتی درون‌ساختار» را با تکیه بر اطلاعات فازی و تداخلی موجود در سیستم بخوانند؛ رویکردی که میتواند دقت، تکرارپذیری و انعطاف‌پذیری اندازه‌گیری‌های فوقسریع را به‌طرز چشمگیری افزایش دهد و افق جدیدی برای پژوهش‌های بنیادی و کاربردی در فیزیک کوانتومی و فناوری‌های مربوطه بگشاید.
منبع: sciencealert
ارسال نظر