محققان از مکانیک کوانتومی برای دیدن اجسام بدون نگاه کردن به آنها استفاده می کنند

21 دسامبر 2022 – توسط دانشگاه آلتو -اعتبار: میکو راسکینن/دانشگاه آلتو

ما جهان اطراف خود را می بینیم زیرا نور توسط سلول های تخصصی شبکیه چشم جذب می شود. اما آیا بینایی می تواند بدون هیچ گونه جذبی اتفاق بیفتد – حتی بدون یک ذره نور؟ با کمال تعجب، پاسخ مثبت است.

تصور کنید که یک کارتریج دوربین دارید که ممکن است حاوی یک رول فیلم عکاسی باشد. این رول آنقدر حساس است که تماس با حتی یک فوتون آن را از بین می برد. با وسایل کلاسیک روزمره ما هیچ راهی وجود ندارد که بدانیم آیا فیلمی در کارتریج وجود دارد یا خیر، اما در دنیای کوانتومی می توان این کار را انجام داد. آنتون زایلینگر، یکی از برندگان جایزه نوبل فیزیک 2022، اولین کسی بود که ایده آزمایش بدون تعامل با استفاده از اپتیک را به صورت تجربی اجرا کرد.

اکنون، در مطالعه‌ای که ارتباط بین دنیای کوانتومی و کلاسیک را بررسی می‌کند، شروتی دوگرا، جان جی مک‌کورد، و گئورگه سورین پارائوانو از دانشگاه آلتو راهی جدید و بسیار مؤثرتر برای انجام آزمایش‌های بدون تعامل کشف کرده‌اند. این تیم از دستگاه‌های ترانسمون – مدارهای ابررسانا که نسبتاً بزرگ هستند اما هنوز رفتار کوانتومی را نشان می‌دهند – برای تشخیص وجود پالس‌های مایکروویو تولید شده توسط ابزارهای کلاسیک استفاده کردند. تحقیقات آنها اخیراً در Nature Communications منتشر شده است.

آزمایشی با لایه اضافه شده “کوانتومی”

اگرچه دوگرا و پارائوانو مجذوب کار گروه تحقیقاتی زایلینگر بودند، اما آزمایشگاه آنها به جای لیزر و آینه، حول امواج مایکروویو و ابررساناها متمرکز شده است.

پارائوانو می‌گوید ما مجبور بودیم این مفهوم را با ابزارهای آزمایشی مختلف موجود برای دستگاه‌های ابررسانا تطبیق دهیم. به همین دلیل، ما مجبور شدیم پروتکل استاندارد بدون تعامل را نیز به روشی مهم تغییر دهیم: با استفاده از انرژی بالاتر، لایه دیگری از “کوانتومی” را اضافه کردیم. سپس، ما از انسجام کوانتومی سیستم سه سطحی به‌عنوان منبع استفاده کردیم.».

انسجام کوانتومی به این امکان اشاره دارد که یک جسم بتواند همزمان دو حالت مختلف را اشغال کند – چیزی که فیزیک کوانتومی اجازه می دهد. با این حال، انسجام کوانتومی ظریف است و به راحتی فرو می ریزد، بنابراین بلافاصله مشخص نبود که پروتکل جدید کار کند. با شگفتی تیم، اولین اجرای آزمایش افزایش قابل توجهی در کارایی تشخیص را نشان داد. آنها چندین بار ، مدل های نظری را اجرا کردند که نتایج آنها را تأیید می کرد و همه چیز را دوباره بررسی کردند. اثر قطعا وجود داشت.

Dogra می‌گوید: «ما همچنین نشان دادیم که حتی پالس‌های مایکروویو کم‌مصرف را می‌توان به طور مؤثر با استفاده از پروتکل ما شناسایی کرد.

این آزمایش همچنین روش جدیدی را نشان داد که در آن دستگاه‌های کوانتومی می‌توانند به نتایجی دست یابند که برای دستگاه‌های کلاسیک غیرممکن است – پدیده‌ای که به عنوان مزیت کوانتومی شناخته می‌شود. محققان عموماً بر این باورند که دستیابی به مزیت کوانتومی به رایانه‌های کوانتومی با کیوبیت‌های زیاد نیاز دارد، اما این آزمایش مزیت کوانتومی واقعی را با استفاده از راه‌اندازی نسبتاً ساده‌تر نشان داد.

کاربردهای بالقوه در بسیاری از انواع فناوری کوانتومی

اندازه‌گیری‌های بدون تعامل مبتنی بر روش‌شناسی قدیمی‌تر کمتر مؤثر، قبلاً در فرآیندهای تخصصی مانند تصویربرداری نوری، تشخیص نویز و توزیع کلید رمزنگاری کاربردهایی پیدا کرده‌اند. روش جدید و بهبود یافته می تواند کارایی این فرآیندها را به طور چشمگیری افزایش دهد.

Paraoanu می‌گوید: “در محاسبات کوانتومی، روش ما می‌تواند برای تشخیص حالت‌های فوتونی مایکروویو در عناصر حافظه خاص استفاده شود. این می‌تواند به عنوان یک روش بسیار کارآمد برای استخراج اطلاعات بدون ایجاد اختلال در عملکرد پردازنده کوانتومی در نظر گرفته شود.”

گروه تحت رهبری Paraoanu همچنین در حال بررسی سایر اشکال عجیب و غریب پردازش اطلاعات با استفاده از رویکرد جدید خود هستند، مانند ارتباطات خلاف واقع (ارتباط بین دو طرف بدون انتقال ذرات فیزیکی) و محاسبات کوانتومی خلاف واقع (که در آن نتیجه یک محاسبات بدون درج شده در واقع در حال اجرا کامپیوتر به دست می آید.).