کشف جدید در هم‌تنیدگی کوانتومی: ثبت یکی از سریع‌ترین لحظات طبیعت
تصور کنید بخواهید لحظه ترکیدن یک حباب صابون را عکاسی کنید، اما حالا تصور کنید اتفاقی در مقیاس کوانتومی و با سرعتی یک تریلیون‌تریلیون بار سریع‌تر از آن رخ دهد. برای مدت‌ها، دانشمندان تصور می‌کردند که برخی رویدادهای کوانتومی به‌طور «آنی» اتفاق می‌افتند، مانند جهش الکترون از یک اتم هنگام برخورد با نور یا پدیده مرموز «درهم‌تنیدگی کوانتومی» که اینشتین به آن «کنش شبح‌وار از دور» می‌گفت. اما اگر می‌توانستیم این رخدادها را در حرکت آهسته تماشا کنیم چه؟
در یک پژوهش پیشگام که در نشریه فیزیکال ریویو لترز (Physical Review Letters) منتشر شده، تیمی بین‌المللی از پژوهشگران موفق شده‌اند با استفاده از شبیه‌سازی‌های پیچیده کامپیوتری لحظهٔ آغاز درهم‌تنیدگی کوانتومی را با دنبال‌کردن رویدادهایی که تنها در چند اَتوثانیه – یا میلیاردیم میلیاردیم ثانیه – رخ می‌دهند، آشکار کنند.
بررسی لحظه‌ای که اتم توسط لیزر ضربه می‌بیند
این تحقیق روی اتم‌هایی متمرکز است که توسط پالس‌های لیزر قدرتمند برخورد می‌کنند. با ضربه لیزر، یک الکترون از اتم جدا می‌شود و الکترون دیگری به حالت انرژی بالاتری می‌رود. این دو الکترون سپس به حالت درهم‌تنیدگی کوانتومی می‌رسند و ویژگی‌های آنها به‌گونه‌ای درهم می‌آمیزد که نمی‌توان یکی را بدون دیگری توصیف کرد.
پژوهشگران به کشف جالبی دربارهٔ زمان‌بندی لحظهٔ جدایی الکترون‌ها از اتم دست یافتند. پروفسور یواخیم بورگدورفر (Joachim Burgdörfer) از دانشگاه فنی وین (Vienna University of Technology) در این زمینه توضیح می‌دهد که «زمان دقیق جدایی الکترونی که از اتم خارج می‌شود اصولاً نامشخص است؛ به عبارتی الکترون خود نیز نمی‌داند که کی اتم را ترک کرده است.» این الکترون در ابرموقعیت کوانتومی بین لحظات خروج زودتر و دیرتر قرار دارد، که به طور میانگین با فاصله‌ای حدود ۲۳۲ اَتوثانیه از هم جدا هستند.
-------
علت و عوارض مشکل پزشکی از چیست؟
پروفسور ایوا برژینوا (Iva Březinová)، یکی دیگر از نویسندگان این پژوهش، توضیح می‌دهد که «الکترون به‌صورت ناگهانی از اتم خارج نمی‌شود، بلکه مثل یک موج از اتم جاری می‌شود که این فرایند مدتی طول می‌کشد. دقیقاً در طول این مرحله است که درهم‌تنیدگی اتفاق می‌افتد، که اثر آن بعداً با مشاهده دو الکترون قابل اندازه‌گیری است.»
نتایج کلیدی و روش‌های استفاده‌شده در تحقیق
پژوهشگران از ترکیب پالس‌های لیزر فرابنفش و نور فروسرخ برای مطالعه رفتار الکترون‌ها در هنگام جداشدن از اتم هلیوم استفاده کردند. تکنیک موسوم به «ردگیری اَتوثانیه‌ای» (attosecond streaking) به آنها این امکان را داد تا با دقتی فوق‌العاده رویدادهای فقط چند اَتوثانیه‌ای را اندازه‌گیری کنند.
تحقیق نشان داد که زمان‌بندی خروج الکترون به‌طور ذاتی نامشخص و به حالت الکترون باقی‌مانده در اتم وابسته است. اگر الکترون باقی‌مانده به سطح انرژی بالاتری برود، احتمالاً الکترون خروجی زودتر خارج شده است؛ و اگر در سطح انرژی پایین‌تری باقی بماند، خروج الکترون خروجی دیرتر بوده است.
این تفاوت‌های زمانی در حدود صدها اَتوثانیه به دانشمندان بینشی عمیق دربارهٔ رفتار کوانتومی داده و اهمیت زیادی در درک پدیده‌های کوانتومی دارد.
محدودیت‌ها و چشم‌اندازهای آیندهٔ این پژوهش
این پژوهش عمدتاً مبتنی بر شبیه‌سازی‌های کامپیوتری و مدل‌های نظری است، اما پژوهشگران هم‌اکنون در حال همکاری با تیم‌های تجربی هستند تا بتوانند این درهم‌تنیدگی‌های فوق‌سریع را در شرایط آزمایشگاهی واقعی نیز اثبات کنند. تکنولوژی فعلی به دستیابی به پالس‌های نوری دقیق برای این اندازه‌گیری‌ها نزدیک است.
این پژوهش به طور بنیادی درک ما از فرآیندهای کوانتومی را تغییر می‌دهد و نشان می‌دهد که این رویدادها به‌طور آنی رخ نمی‌دهند، بلکه طی بازه‌های زمانی بسیار کوتاه اتفاق می‌افتند. این پیشرفت می‌تواند به بهبود فناوری‌هایی مانند رایانه‌های کوانتومی و رمزنگاری کمک کند، زیرا حفظ درهم‌تنیدگی کوانتومی در این فناوری‌ها ضروری است. توانایی ردگیری تشکیل درهم‌تنیدگی کوانتومی به‌صورت لحظه‌ای افق‌های جدیدی را برای کنترل و بهره‌برداری از اثرات کوانتومی باز می‌کند.
