اولین اندازه‌گیری عدم قطعیت کوانتومی بلادرنگ با نور فشرده فوق سریع

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، در یک آزمایش بی‌نظیر، محققان با استفاده از پالس‌های فوق سریع نور، عدم قطعیت کوانتومی را در زمان واقعی ثبت کردند.

 

تقریباً یک قرن پس از آنکه ورنر هایزنبرگ اصل عدم قطعیت را مطرح کرد، این پیشرفت، این مفهوم مشهور را در معرض مشاهده مستقیم و بلادرنگ قرار می‌دهد.

 

محمد حسن، نویسنده‌ی مسئول مقاله و دانشیار فیزیک و علوم نوری، گفت: «نور فشرده» در قلب این کشف قرار دارد.

 

در فیزیک کوانتومی، نور دو ویژگی مرتبط دارد که تقریباً با موقعیت و شدت یک ذره مطابقت دارند، اما هرگز نمی‌توان آنها را با دقت کامل شناخت، اصلی که به عنوان عدم قطعیت شناخته می‌شود.

 

حاصلضرب این دو اندازه‌گیری نمی‌تواند از یک آستانه کمتر شود، دقیقاً مانند مقدار ثابت هوا در یک بادکنک.

 

حسن گفت: «نور معمولی مانند یک بادکنک گرد است که عدم قطعیت به طور مساوی بین اندازه‌گیری‌های آن پخش شده است.

 

«نور فشرده - که به عنوان نور کوانتومی نیز شناخته می‌شود - به شکل بیضی کشیده می‌شود، جایی که یک ویژگی آرام‌تر و دقیق‌تر می‌شود، در حالی که دیگری پر سر و صداتر می‌شود.

 

دقت در هر فوتون

 

این فشرده‌سازی کاربرد‌های عملی دارد: آشکارساز‌های موج گرانشی در حال حاضر از نور فشرده‌شده برای عبور از نویز پس‌زمینه و تشخیص امواج ضعیف در فضازمان استفاده می‌کنند.

 

تکنیک‌های قبلی بر پالس‌های لیزری با طول میلی‌ثانیه متکی بودند. حسن می‌خواست بررسی کند که آیا می‌توان نور فشرده را با پالس‌های فوق سریع اندازه‌گیری شده در فمتوثانیه یا یک کوادریلیونیم ثانیه تولید کرد یا خیر.

 

او گفت: «ایجاد نور کوانتومی با پالس‌های لیزر فوق سریع، یک گام انقلابی و اولین پیاده‌سازی واقعی است که اپتیک کوانتومی و علم فوق سریع را با هم ترکیب می‌کند.

 

«چالش فنی اصلی، تطبیق فاز بین لیزر‌های با رنگ‌های مختلف بود که معمولاً به تنظیمات پیچیده‌ای نیاز دارد. من متوجه شدم که فناوری ما می‌تواند بر این مشکل غلبه کند.

 

حسن و همکارانش روشی را با استفاده از ترکیب چهار موج توسعه دادند، که در آن منابع نوری مختلف با هم تعامل و ترکیب می‌شوند. آنها یک لیزر را به سه پرتو یکسان تقسیم کردند و آنها را به سیلیس ذوب شده متمرکز کردند و نور فشرده فوق سریع تولید کردند.

 

رویکرد‌های پیشین، عدم قطعیت در فاز فوتون را کاهش می‌دادند. در عوض، تیم حسن شدت فوتون را کاهش داد و کنترل بلادرنگ را نشان داد که با تنظیم موقعیت سیلیس نسبت به پرتوها، بین شدت و فشرده‌سازی فاز نوسان می‌کرد.

 

اگر سیلیس عمود باشد، فوتون‌ها با هم می‌رسند. یک تغییر جزئی در زاویه، یک فوتون را به تأخیر می‌اندازد. این تنظیم کوچک، فشار را کنترل می‌کند.

 

حسن گفت: «این اولین نمایش نور فشرده‌ی فوق سریع و اولین اندازه‌گیری و کنترل بلادرنگ عدم ​​قطعیت کوانتومی است.

 

با ترکیب لیزر‌های فوق سریع با اپتیک کوانتومی، ما دری به سوی یک حوزه جدید باز می‌کنیم: اپتیک کوانتومی فوق سریع.

 

ایمن‌سازی ارتباطات کوانتومی

 

این تیم از این روش برای ایمن‌سازی ارتباطات استفاده کرده است. در حالی که پالس‌های نوری فوق سریع و فشرده به طور جداگانه برای انتقال داده‌ها استفاده شده‌اند، ترکیب آنها سرعت و امنیت را افزایش می‌دهد.

 

حسن گفت: «اگر کسی داده‌های ارسال‌شده با نور کوانتومی را رهگیری کند، شبکه بلافاصله این نفوذ را تشخیص می‌دهد -، اما فرد متجاوز همچنان می‌تواند با کلید رمزگشایی به اطلاعاتی دست یابد.

 

«با استفاده از روش ما، یک شنودگر نه تنها حالت کوانتومی را مختل می‌کند، بلکه باید هم کلید و هم دامنه دقیق پالس را بداند.

 

تداخل آنها بر فشرده‌سازی دامنه تأثیر می‌گذارد، به این معنی که آنها نمی‌توانند عدم قطعیت صحیح را تعیین کنند و هرگونه داده رمزگشایی شده نادرست است.

 

فراتر از ارتباطات، نور کوانتومی فوق سریع می‌تواند حسگری کوانتومی، شیمی و زیست‌شناسی را متحول کند. حسن، تشخیص‌های دقیق‌تر، تکنیک‌های جدید کشف دارو و آشکارساز‌های فوق حساس برای نظارت بر محیط زیست را در نظر دارد.

 

حسن با محمد سناری، محمد الکباش و تیم‌های بین‌المللی از موسسه علوم و فناوری بارسلونا، دانشگاه لودویگ ماکسیمیلیان مونیخ و موسسه تحقیقات و مطالعات پیشرفته کاتالان همکاری کرد.

یافته‌های این مطالعه در مجله Light: Science & Applications منتشر شده است.