داروینیسم کوانتومی نخستین آزمایش‌ها را پشت سر گذاشت

داروینیسم کوانتومی نخستین آزمایش‌ها را پشت سر گذاشت

چندان عجیب نیست که فیزیک کوانتوم به عجیب و غیر‌شهودی‌بودن شهرت دارد. مسلما جهانی که در آن زندگی می‌کنیم، کوانتوم مکانیکی به‌نظر نمی‌رسد. تا قرن بیستم مردم تصور می‌کردند که قوانین فیزیک کلاسیک در همه‌ی مقیاس‌ها صدق می‌کنند. ایزاک نیوتون دانشمندی است که قوانین فیزیک کلاسیک را نوشته است. این قوانین، ویژگی‌ها‌ی مکانی و زمانی اجسام را در همه‌ی زمان‌ها به‌خوبی توصیف می‌کنند. اما ماکس پلانک، آلبرت انشتین، نیلز بوهر و افراد هم‌عصر آن‌ها کشف‌ کردند که در مقیاس اتمی و زیر‌اتمی این قوانین محکم به دریایی از احتمال تبدیل می‌شوند. معمولا  اتم نمی‌تواند یک مکان مشخص و قطعی داشته‌ باشد و تنها می‌توانیم احتمال وجود آن در مکان‌ها‌ی مختلف را محاسبه‌ کنیم. سؤال آزار‌دهنده‌ای که پیش می‌آید این است: احتمالات کوانتومی چگونه می‌توانند به واقعیت‌ها‌ی دنیای کلاسیکی تبدیل شوند؟

فیزیکدان‌ها گاهی از دگرگونی یادشده به‌عنوان «گذار کوانتوم – کلاسیکی» یاد می‌کنند؛ اما در حقیقت هیچ دلیلی مبنی بر اینکه باید قوانین بنیادی دنیا‌ی بزرگ‌مقیاس و کوچک‌مقیاس متفاوت باشند، یا حتما تغییری ناگهانی در میان آن‌ها باشد، وجود ندارد. پژوهشگران طی دهه‌ها‌ی برای درک بهتر چگونگی تبدیل مکانیک کلاسیک به مکانیک کوانتومی، تحت بر‌هم‌کنش یک ذره با یک سیستم میکروسکوپی دیگر و محیط اطراف آن، در تلاش بوده‌اند.

یکی از قابل‌توجه‌ترین ایده‌ها‌یی که در زمینه‌ی تئوری وجود‌ دارد این است که: ویژگی‌ها‌ی قطعی و مسلم اجسام در کارکرد فیزیک کلاسیک، مانند مکان و سرعت، از بین فهرستی از احتمالات کوانتومی به‌صورت آزادانه، در یک فرایند طبیعی تکاملی انتخاب می‌شوند: ویژگی‌ها‌یی که از این لیست انتخاب‌ شده‌اند، به‌قولی، مناسب‌ترین آن‌ها بوده‌اند. 

در گزینش طبیعی، ویژگی‌ها‌یی از سیستم انتخاب می‌شوند که بتوانند خودشان را بیشتر تکثیر‌ کنند. به این معنی که اگر تعداد زیادی از مشاهده‌گر‌ها‌ی مستقل به‌صورت جداگانه یک سیستم را اندازه‌گیری‌کنند، نتایج یکسانی به‌دست‌ آورند (که این یک نشانه از رفتار کلاسیکی است). 

داروینسم کوانتومی

چایونانگ لو (سمت چپ) و جیان وی پن (سمت راست) از دانشگاه علم و تکنولوژی چین در هفی، آزمایشی را طراحی‌کردند که داروینیسم کوانتومی را در یک محیط مصنوعی ساخته‌شده از فوتون‌ها مورد بررسی قرار می‌دهد

ایده‌ی مورد بحث که داروینیسم کوانتومی (QD) نام‌ دارد، به‌جا‌ی اینکه مکانیزم عجیب مقیاس اتمی و ذرات بنیادی را توصیف‌ کند، توضیحات زیادی در‌مورد چرایی مشاهده‌ی جهان به‌گونه‌ای که هم‌اکنون هست، به ما می‌دهد. با اینکه جنبه‌های این معما همچنان حل‌نشده باقی می‌ماند، QD به التیام‌یافتن خراش بین فیزیک کلاسیک و فیزیک کوانتومی کمک می‌کند. 

با‌این‌حال، اخیرا داروینیسم کوانتومی مورد آزمایش تجربی قرار‌ گرفته‌ است. سه تیم پژوهشی مستقل در ایتالیا، چین و آلمان، با تکرار اطلاعات مربوط به یک سیستم کوانتومی در شرایط مختلف کنترل‌شده، به‌دنبال نشانه‌ها‌یی از فرایند گزینش طبیعی گشتند. این آزمایش‌ها ابتدایی هستند و به‌گفته‌ی کارشناسان، برای مطمئن‌شدن از اینکه QD تصویر درستی از چگونگی فرو‌افت چندین حالت مکانیک کوانتومی به یک حالت قطعی به ما می‌دهد، هنوز راه زیادی درپیش است. با‌این‌حال، تا‌کنون دانشمندان در‌حال بررسی این نظریه هستند.

بقای اصلح

در قلب داروینیسم کوانتومی، یک مفهوم مبهم و خطرناک در مورد اندازه‌گیری وجود‌ دارد که به آن، فرایند مشاهده گفته می‌شود. در مکانیک کلاسیک، همه چیز به‌سادگی همان چیزی است که می‌بیند. یک توپ تنیس را در‌حال حرکت با سرعت ۲۰۰ کیلومتر بر ساعت می‌بینید؛ زیرا سرعت این توپ واقعا همان ۲۰۰ کیلومتر بر ساعت است. چه حرف بیشتری برای گفتن هست؟

در فیزیک کوانتومی دیگر این داستان درست نیست. در مکانیک کوانتومی، دیگر به‌سادگی نمی‌توان از راه و روش‌ها‌ی معمول ریاضیاتی متوجه اصل واقعیت در مورد یک جسم کوانتومی شد. تنها اصول مکانیک کوانتومی می‌تواند به ما نشان‌دهد که اگر اندازه‌گیری انجام‌ دهیم، چه چیزی خواهیم‌ دید. برای مثال، این را درنظر بگیرید که یک ذره‌ی کوانتومی چگونه می‌تواند طیف وسیعی از حالت‌ها‌ی ممکن را داشته‌ باشد. به این طیف وسیع حالت‌ها، «بر‌هم‌نهی» گفته می‌شود. بر‌هم‌نهی واقعا به این معنی نیست که یک ذره‌ی کوانتومی هم‌زمان در همه‌ی حالت‌ها هست، بلکه به‌این معنی است که اگر روی این ذره اندازه‌گیری انجام‌ دهیم، یکی از این نتایج را خواهیم‌ دید. قبل از اندازه‌گیری، حالت‌ها‌ی بر‌هم‌نهی‌شده، با یکدیگر به شکلی تداخل می‌کنند که نتایجی با احتمال کم‌تر یا بیشتر  از آن‌ها به‌دست می‌آید. 

اما چرا نمی‌توانیم بر‌هم‌نهی کوانتومی را ببینیم؟ چرا همه‌ی احتمالات ممکن در مقیاس انسانی نشان‌ داده نمی‌شوند؟

پاسخی که معمولا به این سؤال داده می‌شود این است که بر‌هم‌نهی‌ها به‌حدی شکننده‌ هستند که اگر یک سیستم کوانتومی تحت تأثیر محیط پر از نویز اطرافش قرار‌بگیرد، به‌سادگی شکسته می‌شوند. اما این پاسخ چندان هم درست نیست. زمانی‌که دو جسم کوانتومی با یکدیگر بر‌هم‌کنش‌کنند، با یکدیگر در‌هم‌تنیده می‌شوند و به یک حالت کوانتومی مشترک وارد می‌شوند که در این حالت، احتمال‌ها‌ی حالت‌ها‌یی که در آن‌ها قرار گرفته‌‌اند، به یکدیگر وابسته است. 

بنابر‌این برای مثال گفته می‌شود که در‌مورد یک ویژگی کوانتومی به‌نام اسپین، یک اتم در یک بر‌هم‌نهی از دو حالت ممکن قرار داده‌شده‌است: حالت بالا و حالت پایین. حالا این اتم در هوا آزاد می‌شود و می‌تواند در برخورد با یک مولکول هوا، با این مولکول در‌هم‌تنیده‌شود. هم‌اکنون این دو اتم در یک بر‌هم‌نهی مشترک هستند. اگر اسپین اتم بالا باشد، مولکول هوا در یک جهت خاص حرکت می‌کند. اگر اسپین اتم پایین باشد، مولکول هوا در جهت دیگری حرکت می‌کند. هر دو این احتمالات ممکن، هم‌زمان وجود‌دارند. 

همچنان که ذرات با مولکول‌ها‌ی هوا‌ی دیگری برخورد می‌کنند، در‌هم‌تنیدگی گسترده‌تر می‌شود و بر‌هم‌نهی، پراکنده‌تر می‌شود. حالت‌ها‌ی بر‌هم‌نهی‌شده‌ی اتم دیگر به‌صورت منسجم با یکدیگر تداخل نمی‌کنند. چرا‌که، هم‌اکنون، دیگر این حالت‌ها با حالت‌ها‌ی دیگری که در محیط اطراف وجود‌دارند، مثل یک ابزار بزرگ اندازه‌گیری، در‌هم‌تنیده شده‌اند. چیزی که به‌نظر این دستگاه اندازه‌گیری می‌رسد، این است که، بر‌هم‌نهی اتم‌ها از بین رفته‌است و با فهرستی از نتایج شبه‌کلاسیکی ممکن که با یکدیگر تداخل نمی‌کنند، جایگزین شده‌است. این فرایند که در آن کوانتومی‌بودن با تأثیر محیط از بین می‌رود، ناهمدوسی کوانتومی نام‌دارد. ناهمدوسی، یک قسمت مهم و حیاتی در گذار کلاسیکی – کوانتومی است که توضیح می‌دهد چرا در سیستم‌ها‌ی بزرگ شامل تعداد زیادی ذره‌ی بر‌هم‌کنشی، مشاهده‌ی رفتار کوانتومی سخت می‌شود. این فرایند، بسیار سریع اتفاق می‌افتد. اگر یک دانه‌ی غبار خاص که در هوا شناور است، در یک بر‌هم‌نهی از دو نقطه‌ی مکانی فیزیکی به فاصله‌ی پهنا‌ی دانه‌ی غبار در‌نظر‌گرفته‌ شود، در این‌صورت، برخورد این ذره‌ی غبار با مولکول‌ها‌ی هوا می‌تواند باعث ناهمدوسی به‌مدت ۱۰ به توان ۳۱- ثانیه شود، که این باعث می‌شود که بر‌هم‌نهی، غیر‌قابل آشکار‌سازی شود. حتی در یک محیط خلا نیز فوتون‌ها‌ی نور می‌توانند به یک ناهمدوسی از این نوع منجر‌ شوند: بدون از بین‌بردن بر‌هم‌نهی دانه‌ی غبار، نمی‌توانستید به آن نگاه‌کنید.

Wojciech Zurek

وجسیچ زورک، فیزیکدان نظری در کتابخانه‌ی ملی لوس‌آنجلس در نیومکزیکو در دهه‌ی ۲۰۰۰ آزمایشی را در حوزه‌ی داروینیسم کوانتومی برای مشاهده‌ی حقیقت عینی کلاسیکی توسعه‌داد

شگفت‌آور است که با اینکه ناهمدوسی، نتیجه‌ی مستقیم مکانیک کوانتومی است، تازه در دهه‌ی ۱۹۷۰ توسط هینز دیترزه، فیزیکدان آلمانی شناخته‌ شد. وسیچ زورک (Wojciech Zurek)، فیزیکدان آمریکایی‌ – لهستانی، در دهه ی ۱۹۸۰ این ایده را بیشتر گسترش‌ داد و آن را بهتر به دیگران شناساند و امروزه پشتوانه‌ی تجربی خوبی برای این ایده وجود‌ دارد.

اولین مورد اینکه، سیستم‌ها‌ی کوانتومی باید دارای حالت‌ها‌یی باشند که در مقابل ناهمدوسی مختل‌کننده‌ی محیط مقاومت‌ کنند. زورک این حالت‌ها را حالت‌ها‌ی نشان‌گر نامید چرا که، می‌توانند در حالت‌ها‌ی ممکن یک نشانگر، روی صفحه‌ی یک دستگاه اندازه‌گیری، رمز‌گذاری‌ شوند. هر‌کدام از پارامتر‌ها‌ی یک ذره از جمله: سرعت، مقدار اسپین کوانتومی یا جهت قطبش ذره، می‌توانند در قالب مکان قرار‌گیری نشان‌گر روی صفحه‌ی دستگاه اندازه‌گیری، نمایش داده‌ شوند. طبق استدلال زورک، وجود رفتار‌ها‌ی کلاسیکی به‌معنی وجود حالت‌ها‌ی پایدار و عینی تنها به دلیل وجود حالت‌ها‌ی نشان‌گر در کوانتوم، ممکن است. 

ویژگی خاص ریاضیاتی حالت‌ها‌ی نشان‌گر این است که ناهمدوسی ناشی از بر‌هم‌کنش با محیط اطراف، آن‌ها را به‌هم نمی‌ریزد. به این معنی که هر‌کدام از حالت‌ها‌ی نشان‌گر در محل خود تثبیت‌ شده‌اند یا اینکه تنها به حالت‌ها‌ی بسیار مشابه حالت خودشان منتقل می‌شوند. این موضوع به این معنی است که محیط، همه‌ی حالت‌ها‌ی کوانتومی را به یکباره از بین نمی‌برد بلکه، بعضی از این حالت‌ها را انتخاب می‌کند و سایر را دور می‌ریزد. برای مثال، مکان یک ذره در مقابل ناهمدوسی، مقاومت می‌کند. 

با‌این‌حال، بر‌هم‌نهی ها‌ی مکان‌ها‌ی مختلف، جزء حالت‌ها‌ی نشان‌گر نیستند. بر‌هم‌کنش حالت‌ها‌ی مکانی با محیط، تنها آن‌ها را به حالت‌ها‌ی نشان‌گر موضعی قابل‌مشاهده می‌برد. زورک در دهه‌ی ۱۹۸۰، همین انتخاب‌ها‌ی محیط‌محور را توصیف‌کرد. 

اما برای اینکه یک ویژگی کوانتومی مشاهده‌ شود، شرط دومی نیز وجود‌ دارد. با برای اینکه بدانیم مصون‌ماندن نسبت به محیط اطراف، ثبات یک حالت نشان‌گر را تضمین‌ می‌کند یا خیر، همچنان باید اطلاعات به‌دست‌آوریم و تنها زمانی می‌توانیم اطلاعات بیشتری به‌دست‌آوریم، که این اطلاعات در محیط اطراف جسم وجود‌ داشته‌ باشد. برای مثال، زمانی‌که جسمی را می‌بینید، اطلاعات مورد نیاز برای دیدن آن جسم به‌وسیله‌ی فوتون‌ها‌ی پراکنده‌شده از جسم به شبکیه‌ی چشم شما می‌رسد. این فوتون‌ها، اطلاعات را در قالب قسمتی از جنبه‌ها‌ی مختلف یک جسم مانند مکان، شکل و رنگ جسم با خود حمل می‌کنند. برای اینکه مشاهده‌گر‌ها‌ی مختلف، از یک نتیجه مطمئن باشند، باید نسخه‌ها‌ی تکراری زیادی از یک اندازه‌گیری موجود‌ باشد و این تاییدی بر کلاسیکی‌بودن است. بدین‌طریق، طبق استدلال زورک در دهه‌ی ۲۰۰۰، مشاهده‌ی برخی ویژگی‌ها، تنها به انتخاب این ویژگی‌ها به‌عنوان حالت‌ها‌ی نشان‌گر وابسته نیست، بلکه به میزان قابل‌توجه‌بودن اثری که این ویژگی‌ها در محیط اطراف می‌گذارند نیز بستگی‌دارد. حالت‌هایی که بهتر می‌توانند نسخه‌ها‌ی متعددی از خودشان را در محیط بسازند (مناسب‌ترین حالت‌ها)، بیشتر نیز برای اندازه‌گیری در دسترس هستند. به همین دلیل است که زورک، این ایده را «داروینیسم کوانتومی» نامیده‌است. به‌نظر می‌رسد همین ویژگی‌ها‌ی پایدار که منجر به ابر‌گزینش حالت‌ها‌ی اشاره‌گر محیط‌محور می‌شود، تطابق داروینیسم کوانتومی یا همان ظرفیت ایجاد نسخه‌ها‌ی متعدد از یک حالت را به‌همراه دارد. زورک گفت:

با همه‌ی این‌ها، عملکرد‌ها‌ی پایشی و سیستم‌های نا‌منسجم محیط و همچنین فرایند‌های مشابهی که ناهمدوسی ایجاد می‌کنند، باید نسخه‌های متعددی از اطلاعات را در محیط بازنویسی‌کنند. 

سرریز اطلاعات

البته که مهم نیست اطلاعات یک سیستم کوانتومی که در محیط قرار‌ گرفته‌ است، به‌وسیله‌ی یک مشاهده‌گر انسانی خوانده می‌شود یا خیر. در اصل تنها مسئله‌ای که برای برون‌داد رفتار کلاسیکی مهم است، این است که اطلاعاتی برای خواندن وجود‌ داشته‌ باشد. جس رایدل، فیزیکدان مؤسسه‌ی فیزیک نظری پریمیتر در واترلو کانادا و هوادار داروینیسم کوانتومی، گفت:

 لازم نیست یک سیستم به‌صورت رسمی مورد مطالعه قرار‌ بگیرد. داروینیسم کوانتومی، همه‌ی پدیده‌ها‌ی کلاسیک، شامل اجسام ماکروسکوپی که در آزمایشگاه وجود‌ ندارند و همه‌ی اجسام و پدیده‌هایی را توصیف می‌کند که حتی قبل از خلقت انسان وجود‌ داشته‌اند.

حدود یک دهه پیش، زمانی‌که رایدل به‌عنوان دانشجو‌ی تحصیلات تکمیلی با زورک کار می‌کرد، هردو با همکاری یکدیگر به‌صورت تئوری نشان‌ دادند که اطلاعات مربوط به بعضی از سیستم‌ها‌ی کوانتومی ساده و ایده‌آل، به‌صورت موقت در محیط کپی می‌شود. رایدل گفت:

بنا‌بر همین کپی‌شدن موقت اطلاعات در محیط، لازم است به قسمت کوچکی از محیط دسترسی داشته‌ باشیم تا بتوانیم مقدار متغیر‌ها را تعیین‌ کنیم. 

جس رایدل

پژوهشگران این پروژه محاسبه‌ کردند که یک دانه‌ی غبار به قطر یک میکرومتر پس از آنکه توسط پرتو‌ها‌ی خورشید روشن‌ شود، در زمانی تنها حدود یک میکرو‌ثانیه، مکان خود را تقریبا ۱۰۰ میلیون بار در فوتون‌ها‌ی پراکنده‌شده از دانه‌ی غبار، بر‌جا می‌گذارد. 

همین تعداد زیاد باعث می‌شود که رفتار‌ها‌ی عینی و شبیه‌کلاسیکی وجود‌ داشته‌ باشند. ممکن است ده نفر به‌صورت مستقل مکان یک دانه‌ی غبار را اندازه‌گیری‌ کنند و به‌دلیل دسترسی آن‌ها به نسخه‌ها‌ی قطعی اطلاعات، همه در این اندازه‌گیری توافق داشته‌ باشند. در این دیدگاه، می‌توانیم یک نقطه را به مکان ذره‌ی غبار نسبت‌ دهیم. البته نه به این دلیل که این دانه‌ی غبار دقیقا در همین مکان وجود‌ دارد، بلکه به این دلیل که حالت مکانی این دانه‌ی غبار می‌تواند به‌طوری نسخه‌ها‌ی مشابهی از خودش در محیط حک‌ کند، که مشاهده‌گر‌ها‌ی مختلف، در اندازه‌گیری مکان این ذره‌ی غبار به یک نتیجه برسند. 

علاوه بر این، لزومی ندارد که میزان زیادی از محیط را پایش‌کنید تا بتوانید اطلاعات بیشتری جمع‌آوری کنید. رایدل گفت:

میزان اطلاعاتی که می‌توان از یک سیستم به‌دست‌آورد، به‌سرعت به بالا‌ترین حد خود می‌رسد. 

ماورو پاترنوسترو، فیزیکدان دانشگاه کویین بلفاست که در یکی از سه آزمایش جدید مشارکت‌داشته‌است، توضیح‌داد:

این زیادی تعداد نسخه‌ها‌ی اندازه‌گیری مشابه، ویژگی شاخص داروینیسم کوانتومی است. این همان خاصیتی است که گذار به حالت کلاسیکی را توصیف می‌کند. 

داروینیسم کوانتومی یکی از اسطوره‌ها‌ی موجود درباره‌ی مکانیک کوانتومی را به چالش می‌کشد. طبق نظرات آدن کابلو، فیزیکدان نظری دانشگاه سویل اسپانیا:

منظور از این اسطوره‌ی کوانتومی این است که گذار از مکانیک کوانتومی و جهان کلاسیکی فهمیده‌ نشده‌ است و نتایج اندازه‌گیری را نمی‌توان با تئوری کوانتوم به‌خوبی توصیف‌کرد. 

در عوض او گفت:

تئوری کوانتوم، ظهور جهان کلاسیک را به‌خوبی توصیف می‌کند. 

با‌این‌حال، این موضوع بسیار بحث‌بر‌انگیز است. بعضی از پژوهشگران بر این عقیده هستند که ناهمدوسی و داروینیسم کوانتومی، شرح کاملی از گذار کوانتومی به کلاسیک ارائه می‌دهند. اما با اینکه پژوهشگران با این ایده‌ها سعی‌ دارند چرایی از بین‌رفتن بر‌هم‌نهی و تنها باقی‌ماندن ویژگی‌ها‌ی قطعی کوانتومی در مقیاس بزرگ را توضیح‌دهند، همچنان این سؤال باقی مانده‌است که چرا اندازه‌گیری‌ها به نتایج یکتا منجر می‌شود؟ زمانی‌که یک مکان خاص برای ذره انتخاب می‌شود، برای دیگر احتمالاتی که در توصیف کوانتومی نهان‌هستند چه پیش می‌آید؟ آیا آن‌ها از لحاظی واقعی بوده‌اند؟ پژوهشگران ناچار‌هستند که برای پاسخ به این سؤال از تفسیر‌ها‌ی فلسفی استفاده‌ کنند؛ زیرا هیچ‌کس نمی‌تواند از طریق آزمایش به آن پاسخ‌ دهد. 

درون آزمایشگاه

داروینیسم کوانتومی روی کاغذ بسیار مجاب‌کننده به‌نظر می‌رسد. اما تا همین اواخر دور از ذهن به‌نظر می‌آمد. در سال‌ها‌ی گذشته، سه تیم از پژوهشگران به‌صورت مستقل از یکدیگر با در‌نظر گرفتن جنبه‌ی اصلی این تئوری، آن را در بوته‌ی آزمایش قرار‌ دادند. جنبه‌ی اصلی این تئوری از این قرار است که: چگونه یک سیستم کوانتومی می‌تواند نسخه‌ها‌یی از خود را در محیط بنگارد. 

این آزمایش‌ها به توانایی پایش اطلاعات مربوط به سیستم کوانتومی پخش شده در محیط، بستگی‌ دارند. این آزمایش‌ها برای یک دانه‌ی غبار که میان میلیارد‌ها مولکول هوا شناور است، عملی نیست. بنابر‌این، دو تیم از این سه تیم، یک جسم کوانتومی در یک محیط مصنوعی طراحی‌ کردند که تنها تعداد کمی ذره در آن شناور است. یکی از این آزمایش‌ها توسط پاترنوسترو و همکارانش در دانشگاه سپینزا در روم و آزمایش دیگر توسط جیان ویپن، کارشناس اطلاعات کوانتومی و همکارانش در دانشگاه علوم و تکنولوژی چین انجام‌ شد. در هر‌کدام از این دو آزمایش از یک فوتون به‌عنوان سیستم کوانتومی و از چند فوتون دیگر به‌عنوان محیط مورد تعامل با سیستم کوانتومی استفاده‌ شد که اطلاعات مربوط به سیستم کوانتومی را پخش می‌کردند. 

هر دو این تیم‌ها، فوتون‌ها‌ی لیزر را از دستگاه‌ها‌ی اپتیکی عبور دادند که این دستگاه‌‌ها فوتون‌ها‌ی عبوری را به‌صورت چند‌تا‌یی در‌هم‌تنیده در‌آوردند. پژوهشگران پس از آن فوتون‌ها‌ی محیطی را بررسی‌ کردند تا ببینند چه اطلاعاتی در مورد حالت نشان‌گر سیستم فوتونی در آن‌ها کد‌گذاری‌ شده‌ است. در این مورد یکی از ویژگی‌های کوانتومی فوتون به‌نام قطبش (جهت‌گیری میدان‌ها‌ی الکترو‌مغناطیسی فوتون) در محدوده‌ی انتخابی داروینیسم کوانتومی بررسی‌ شد. 

 اثر اشباع، پیش‌بینی کلیدی داروینیسم کوانتومی است. اثر اشباع به این معنی است که اگر فقط تعداد محدودی از ذرات محیط اطراف سیستم کوانتومی را بررسی‌کنید، تمام اطلاعات مربوط به سیستم کوانتومی در دسترس شما قرار می‌گیرد. پن گفت:

برای به‌دست‌آوردن حد‌اکثر اطلاعات از یک سیستم کوانتومی مورد اندازه‌گیری و مشاهده، تنها بررسی قسمت کوچکی از محیط اطراف کافی است. 

هر دو تیم دقیقا به همین نتیجه رسیدند. تنها اندازه‌گیری یکی از فوتون‌ها‌ی محیط اطراف، اطلاعات زیادی در‌مورد قطبش سیستم فوتونی در دسترس پژوهشگران قرار‌ داد و افزایش تعداد فوتون‌ها‌ی محیطی مورد‌ بررسی، با کاهش نتایج و اطلاعات مفید همراه بود. پن توضیح‌داد:

حتی یک فوتون تنها در‌صورتی که بر‌هم‌کنش به‌اندازه‌ی کافی قوی با سیستم کوانتومی فوتونی داشته‌ باشد، می‌تواند به‌عنوان محیط اطراف یک سیستم کوانتومی عمل‌کند و ناهمدوسی و گزینش را در مورد این سیستم معرفی‌ کند. زمانی‌که بر‌هم‌کنش میان سیستم کوانتومی و محیط اطراف آن ضعیف‌تر باشد، میزان بیشتری از محیط باید مورد پایش قرار بگیرد.

داروینیسم کوانتومی

داروینیسم کوانتومی

یک تیم پژوهشی به سرپرستی فدور جلزکو، سرپرست مؤسسه‌ی اپتیک کوانتومی Ulm آلمان، حالت نیتروژنی را با پایش اتم‌ها‌ی کربن اطراف، بررسی‌کردند که طبق شکل در شبکه‌ی الماسی جا‌ی گذاری شده است. یافته‌ها‌ی آن‌ها داروینیسم کوانتومی را تأیید می‌کند.

در سومین آزمون آزمایشی داروینیسم کوانتومی به رهبری فدور جلزکو، فیزیکدان اپتیک کوانتومی در دانشگاه Ulm آلمان با همکاری زورک و دیگران، از سیستم و محیط متفاوتی استفاده‌ کردند. این سیستم و محیط شامل یک شبکه‌ی کریستالی الماس است که به‌جا‌ی یکی از اتم‌ها‌ی کربن این شبکه اتم نیتروژن قرار‌داده‌ شده‌ است. به این سیستم به اصطلاح «نقص خالی نیتروژن» گفته می‌شود. اتم نیتروژون به‌دلیل داشتن یک الکترون بیشتر از کربن، نمی‌تواند با کربن‌ها‌ی اطراف پیوند برقرار‌ کند و ترکیب شیمیایی بسازد. بنابر‌این، اسپین تک الکترون نیتروژن که با الکترون دیگری جفت‌ نشده‌ است، مانند جهت یک بردار، یا به سمت بالا یا به‌سمت پایین اشاره می‌کند یا در یک بر‌هم‌نهی از هر دو حالت ممکن قرار‌ دارد. 

این اسپین با اتم‌ها‌ی ایزوتوپ کربن ۱۳ که تقریبا ۰/۳ درصد شبکه‌ی الماس را تشکیل می‌دهند، به‌صورت مغناطیسی بر‌هم‌کنش می‌کند. کربن ۱۳ برخلاف ایزوتوپ فراوان‌تر، یعنی کربن ۱۲، دارای اسپین است. به‌صورت میانگین، هر اسپین نیتروژن با چهار اتم کربن ۱۳ تقریبا به‌فاصله‌ی ۱ نانو‌متر شدیدا جفت می‌شود. 

پژوهشگران با کنترل و پایش اسپین‌ها با استفاده از لیزر و پالس‌ها‌ی رادیویی، توانستند اثر تغییرات اسپین نیتروژن را بر تغییرات اسپین هسته‌ای محیط اندازه‌گیری‌کنند. طبق گزارشی که این پژوهشگران در ماه سپتامبر منتشر کردند، توانستند پیش‌بینی داروینیسم کوانتومی مبنی بر تعدد نسخه‌ها را نیز مشاهده‌کنند. این مشاهده به این شکل بوده‌ که حالت اسپین نیتروژن به‌عنوان کپی‌ها‌ی متعدد در محیط اطراف ضبط‌شده‌ است و اطلاعات مربوط به اسپین خیلی زود به بالا‌ترین حد خود می‌رسد و بیشتر اطلاعات ضبط‌شده در محیط بررسی می‌شود. 

زورک گفت:

از آنجایی که آزمایش‌ها‌ی فوتونی به‌طوری نسخه‌ها‌ی متعدد می‌سازند که یک محیط طبیعی را شبیه‌سازی‌کنند، این آزمایش‌ها‌ی فوتونی، فرایند‌ها‌ی گزینشی شامل حالت‌ها‌ی نشان‌گر مقاوم در برابر ناهمدوسی را شامل نمی‌شوند. در‌عوض، خود پژوهشگران این حالت‌ها‌ی نشان‌گر را قرار می‌دهند. 

زورک اضافه کرد:

خود ساختار شبکه‌ی الماس نیز به‌دلیل اندازه‌ی محیط، مشکلاتی دارد اما حد‌اقل یک ساختار شبکه‌ای طبیعی است. 

تعمیم داروینیسم کوانتومی

زورک گفت:

تا‌به‌حال، همه‌ی پژوهش‌‌ها و بررسی‌ها انتظارات را تا‌حدودی بر‌آورده‌ کرده‌اند و این نکته‌ی مثبتی برای داروینیسم کوانتومی است. 

رایدل گفت:

به‌سختی می‌توانستیم انتظاری غیر از نتیجه‌بخش‌بودن آزمایش‌ها‌ی QD داشته‌ باشیم. در این دیدگاه، QD تنها یک کاربرد خوب و روشمند برای مکانیک کوانتومی استاندارد به‌کار رفته در بر‌هم‌کنش یک سیستم کوانتومی با محیط اطرافش است. با اینکه به‌کار بردن این روش در بیشتر اندازه‌گیری‌ها‌ی کوانتومی غیر‌ممکن است، اگر بتوانید یک اندازه‌گیری را ساده‌تر کنید، پیش‌بینی‌ها واضح‌تر خواهند‌ بود. 

 رایدل اضافه‌کرد:

داروینیسم کوانتومی بیشتر شبیه یک آزمون خود‌سازگار درونی از خود تئوری کوانتومی است. 

اما با اینکه به‌نظر می‌رسد همه‌ی این پژوهش‌ها و مطالعات با QD سازگاری دارند، باز‌هم نمی‌توان آن‌ها را به‌عنوان تنها توصیف از ظهور رفتار کلاسیکی یا درستی کامل تلقی‌کرد. 

کابلو می‌گوید: اولا هر سه این آزمایش‌ها تنها نمونه‌ها‌یی ساختارمند از آن چیزی ارائه می‌دهند که محیط زیست واقعی شامل آن می‌شود. از این گذشته، آزمایش‌ها به‌صورت صریح و واضح دیگر روش‌ها‌ی بروز رفتار کلاسیکی را رد نمی‌کنند. برای مثال، نظریه‌ای به‌نام «پخش طیف» که پاول هورودکی و همکارانش در دانشگاه تکنولوژی دنسک لهستان توسعه یافته‌است، در راستا‌ی توسعه و رواج QD طراحی‌شده‌ است و کار می‌کند. تئوری پخش طیف (که تنها در چند مورد ایده‌آل نتیجه‌بخش بوه‌است)، حالت‌ها‌ی در‌هم‌تنیده‌ی سیستم کوانتومی و محیط را شناسایی می‌کند که این حالت‌ها، اطلاعات عینی ارائه می‌دهند و مشاهده‌گر‌ها می‌توانند این اطلاعات را بدون مختل‌کردن سیستم به‌دست‌آورند. به‌عبارت‌دیگر، هدف از این نظریه این است که مشاهده‌گر‌ها‌ی مختلف بتوانند بدون اینکه تأثیری روی نسخه‌ها‌ی دیگر اطلاعات بگذارند، به یکی از این نسخه‌ها‌ی موجود در محیط دسترسی داشته‌ باشند و این یک جنبه از دست‌نخورده باقی‌ماندن و اصل‌بودن اندازه‌گیری‌ها‌ی کلاسیکی است.

هورودکی و دیگر نظریه‌پردازان نیز در صدد بودند تا QD را در یک چارچوب نظری جدا‌سازی‌کنند که در این چارچوب، لزومی به تقسیم جهان به سیستم فیزیکی و محیط اطراف نباشد. اما تنها در این چارچوب چگونگی بروز واقعیت کلاسیکی از بر‌هم‌کنش میان سیستم‌ها‌ی کوانتومی مختلف بررسی می‌شود. پاترنوسترو گفت:

پیدا‌کردن روش‌ها‌ی آزمایشگاهی که با استفاده از آن‌ها بتوان تمایز‌ها‌ی ناچیز میان پیش‌بینی‌ها‌ی این نظریه‌ها را تشخیص‌داد، ممکن است چالش بر‌انگیز باشد. 

پژوهشگران هنوز هم در تلاش هستند و این تلاش‌ها باید بتواند توانایی ما برای کاوش در عرصه‌ی کوانتوم را افزایش‌ دهد. رایدل گفت:

بهترین دلیل برای انجام این آزمایش‌ها این است که آن‌ها تمرین‌ها‌ی خوبی هستند که نشان می‌دهند برای آزمودن QD نیازمندیم تا آزمایش‌ها‌ی دشواری انجام‌ دهیم و این آزمایش‌ها، می‌توانند مرز‌ها‌ی تکنولوژی آزمایشگاهی را جا‌به‌جا کنند. 

به‌نظر می‌رسد تنها راهی که برای درک مفهوم آزمایش می‌توانیم پیدا‌کنیم، ساختن آزمایش‌ها‌ی بهتر است.

درباره محمد حسینی راد

چند سالی هست که در دنیای دیجیتال مشغول فعالیتم. کارشناسی ارشد نرم افزار خوندم و از اینکه دارم مطالب مرتبط با زمینه کاری خودم را انتشار می دهم بسیار خرسندم.

نظر بدهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *