27 مه 2021 توسط دانشگاه صنعتی دلفت
در این عکس برداشت هنرمند از آزمایش نشان داده می شود، جایی که یک پالس الکتریکی به اتم تیتانیوم اعمال می شود. در نتیجه، لحظه مغناطیسی آن به طور ناگهانی به اطراف چرخانده می شود. یک اتم تیتانیوم همسایه (راست) به این حرکت واکنش نشان می دهد، اما نمی تواند با حرکت سریع همگام شود. بدین ترتیب، تبادل اطلاعات کوانتومی مغناطیسی بین اتم ها آغاز می شود. اعتبار: TU دلفت / سیکسل
نحوه رفتار مواد به تعاملات بین تعداد بیشماری از اتمها بستگی دارد. شما می توانید این امر را به عنوان یک گپ گروهی غول پیکر تصور کنید که در آن اتم ها به طور مداوم در حال تبادل اطلاعات کوانتومی هستند. محققان دانشگاه صنعتی دلفت با همکاری RWTH دانشگاه آخن و مرکز تحقیقات جولیخ اکنون توانسته اند گپ بین دو اتم را رهگیری کنند. آنها یافته های خود را در تاریخ 28 مه در ساینس ارائه دادند.
البته اتم ها واقعاً حرف نمی زنند. اما آنها می توانند به یکدیگر واکنش نشان دهند. این به ویژه در مورد خواص مغناطیسی وجود دارد. «هر اتم دارای یک لحظه مغناطیسی کوچک به نام چرخش است. این چرخش ها، مانند سوزن های قطب نما هنگام نزدیک کردن آنها به یکدیگر بر روی یکدیگر تأثیر می گذارند. اگر به یکی از آنها فشار دهید، آنها به طور کاملاً مشخصی حرکت می کنند. سندر اوته، رهبر تیمی که تحقیق را انجام داده است این را می گوید. «اما طبق قوانین مکانیک کوانتوم ، هر چرخش می تواند به طور همزمان در جهات مختلف قرار گیرد و یک superposition را تشکیل دهد. این به این معنی است که انتقال واقعی اطلاعات کوانتومی بین اتم ها مانند نوعی مکالمه انجام می شود.»
در مقیاس بزرگ، این نوع تبادل اطلاعات بین اتم ها می تواند منجر به پدیده های جذابی شود. یک مثال کلاسیک ابررسانایی است: «تاثیری که بعضی از مواد در زیر دمای بحرانی مقاومت الکتریکی را از دست می دهند. گرچه برای ساده ترین موارد به خوبی درک شده است، اما هیچ کس دقیقاً نمی داند که چگونه این اثر در بسیاری از مواد پیچیده بوجود می آید. اما مسلم است که فعل و انفعالات کوانتومی مغناطیسی نقشی اساسی دارند.» به منظور تلاش برای توضیح پدیده هایی از این دست، دانشمندان علاقه زیادی دارند که بتوانند این تعاملات را رهگیری کنند.
برای شنیدن مکالمات بین اتم ها در تیم اوته این مسئله را بطور مستقیم انجام می دهند: «آنها به معنای واقعی کلمه دو اتم را کنار هم قرار می دهند تا ببینند چه اتفاقی می افتد. این امر به واسطه میکروسکوپ تونلینگ روبشی امکان پذیر است: دستگاهی که در آن یک سوزن تیز می تواند اتم ها را تک به تک بررسی کند و حتی می تواند آنها را دوباره مرتب کند.» محققان از این دستگاه برای قرار دادن دو اتم تیتانیوم در فاصله کمی بیش از یک نانومتر – یک میلیونم میلی متر – از یکدیگر استفاده کردند. در آن فاصله، اتمها فقط قادر به چرخش یکدیگر هستند. اگر اکنون یکی از دو چرخش را بچرخانید ، مکالمه به خودی خود آغاز می شود.
معمولاً این پیچ و تاب با ارسال سیگنال های رادیویی بسیار دقیق به اتم ها انجام می شود. این روش به اصطلاح رزونانس چرخشی – که کاملاً یادآور اصل کار یک اسکنر MRI است که در بیمارستان ها یافت می شود – با موفقیت در تحقیقات روی بیت های کوانتوم استفاده می شود. این ابزار در دسترس تیم دلفت نیز هست اما یک ضرر دارد. دکتر می گوید: «این سرعت خیلی کند است.» دانشجو لوکاس ولدمن، نویسنده اصلی انتشارات Science می گوید؛ شما به سختی شروع به چرخاندن یک چرخش قبل از چرخش دیگری کرده اید. به این ترتیب هرگز نمی توانید بررسی کنید که با قرار دادن دو چرخش در جهت مخالف چه اتفاقی می افتد.
بنابراین محققان چیزی غیرمعمول را امتحان کردند: آنها به سرعت چرخش یکی از دو اتم را با انفجار ناگهانی جریان الکتریکی معکوس کردند. در کمال تعجب ، این رویکرد شدید منجر به یک تعامل کوانتومی زیبا شد. در حین پالس، الکترون ها با اتم برخورد می کنند و باعث چرخش آن می شوند.
«اما ما همیشه فرض می کردیم که در طی این فرآیند ، اطلاعات ظریف کوانتومی – به اصطلاح انسجام – از بین رفته است. به هر حال ، الکترون ها با هم انسجام ندارند: تاریخچه هر الکترون قبل از برخورد کمی متفاوت است و این آشوب است که به چرخش اتم منتقل شده و انسجام را از بین می برد.»
این امر که اکنون به نظر می رسد واقعیت ندارد ، دلیل برخی بحث ها بود. ظاهراً، هر الکترون تصادفی، صرف نظر از گذشته خود، می تواند یک برهم نهی منسجم را آغاز کند: ترکیبی خاص از حالات کوانتومی ابتدایی که کاملاً شناخته شده است و تقریباً هر نوع فناوری کوانتومی را می سازد.
مارکوس ترنس، نویسنده مشترک از دانشگاه RWTH آخن و مرکز تحقیقات ژلیخ، استدلال می کند: «اصل کار این است که به سوالی که می پرسید بستگی دارد. الکترون چرخش یک اتم را معکوس می کند و باعث می شود، مثلاً به سمت چپ باشد. شما می توانید این را به عنوان یک عامل اندازه گیری در نظر گرفته، تمام حافظه کوانتومی را پاک کنید. اما از منظر سیستم ترکیبی که هر دو اتم را تشکیل می دهد، اصلاً پیش پا افتاده نیست. برای دو اتم با هم، حالت جدید یک سوپرپوزیشن کامل است و امکان تبادل اطلاعات بین آنها را فراهم می کند. مهم این است که هر دو چرخش درهم پیچیده شوند: برمبنای اطلاعات کلاسیک امکان پذیر است.»
این کشف می تواند برای تحقیق در بیت های کوانتوم از اهمیت برخوردار باشد. همچنین ممکن است در تحقیق در هنگام مقداردهی اولیه حالت های کوانتومی کمی دقت کنید. اما برای اوته و تیمش بیشتر نقطه آغاز آزمایش، زیباتر است.
ولدمن: «در اینجا ما از دو اتم استفاده کردیم ، اما چه اتفاقی می افتد که شما از سه اتم استفاده کنید؟ یا ده یا هزار؟ هیچ کس نمی تواند این را پیش بینی کند، زیرا قدرت محاسبات برای چنین اعدادی بسیار پایین است. شاید روزی بتوانیم به مکالمات کوانتومی گوش دهیم که هیچ کس قبلاً نمی توانست بشنود.»
