پژوهشگران دانشگاه University of Oxford در یک دستاورد مهم در فیزیک کوانتومی موفق شدند نوع کاملا جدیدی از برهمکنشهای کوانتومی را با استفاده از یک یون بهدامافتاده ایجاد و کنترل کنند؛ روشی که برای نخستینبار امکان مشاهده و استفاده عملی از پدیدهای موسوم به کواداسکوئیزینگ (Quadsqueezing) یا فشردهسازی مرتبه چهارم را فراهم کرده است. این پژوهش که نتایج آن اول ماه مه در نشریه Nature Physics منتشر شد میتواند راه را برای توسعه نسل جدید فناوریهای کوانتومی از جمله شبیهسازیهای پیچیده، حسگرهای فوقدقیق و رایانههای کوانتومی هموار کند.
در فیزیک بسیاری از سامانهها رفتاری شبیه اجسام نوسانی مانند فنر یا آونگ دارند. در دنیای کوانتومی این سامانهها با عنوان نوسانگر هارمونیک کوانتومی شناخته میشوند و برای توصیف پدیدههایی همچون امواج نور، ارتعاشات مولکولی و حتی حرکت یک اتم منفرد بهکار میروند. کنترل این نوسانات یکی از پایههای اصلی فناوریهای کوانتومی مدرن به شمار میرود.
یکی از روشهای رایج برای کنترل این نوسانات پدیدهای به نام اسکوئیزینگ یا فشردهسازی کوانتومی است. در مکانیک کوانتومی برخی ویژگیها مانند مکان و تکانه را نمیتوان همزمان با دقت کامل اندازهگیری کرد.
فشردهسازی کوانتومی با بازتوزیع عدمقطعیت میان این کمیتها، امکان اندازهگیری دقیقتر یکی از آنها را فراهم میکند. این فناوری هماکنون نیز در آشکارسازهای امواج گرانشی مانند LIGO برای افزایش حساسیت اندازهگیریها استفاده میشود.
با این حال فشردهسازی استاندارد تنها سادهترین شکل این دسته از برهمکنشهاست. فیزیکدانان سالها تلاش کردهاند نسخههای پیچیدهتر آن از جمله تریاسکوئیزینگ و کواداسکوئیزینگ را ایجاد کنند. مشکل اصلی این بود که این برهمکنشهای مرتبه بالاتر بهطور طبیعی بسیار ضعیف هستند و با افزایش مرتبه شدت آنها حتی کمتر میشود؛ بهگونهای که معمولا پیش از آشکارسازی در نویزهای محیطی از بین میروند.
تیم تحقیقاتی آکسفورد برای حل این مشکل رویکرد متفاوتی طراحی کرد. بهجای تولید مستقیم یک برهمکنش ضعیف مرتبه بالا پژوهشگران دو نیروی دقیقا کنترلشده را بهطور همزمان روی یک یون بهدامافتاده اعمال کردند. این روش بر پایه نظریهای است که در سال ۲۰۲۱ توسط راگاوندرا سرینیواس و رابرت تایلر ساترلند ارائه شده بود.
هر یک از این نیروها بهتنهایی اثری ساده و قابل پیشبینی ایجاد میکنند، اما زمانی که همزمان به کار گرفته شوند به دلیل پدیدهای موسوم به ناجابجاییپذیری یا Non-Commutativit بر یکدیگر اثر گذاشته و یک برهمکنش بسیار قویتر و پیچیدهتر ایجاد میکنند. این اثر باعث تقویت حرکت کوانتومی یون شده و امکان مشاهده رفتارهایی را فراهم میکند که پیشتر دستنیافتنی بودند.
Oana Băzăvan، نویسنده اصلی پژوهش از دپارتمان فیزیک دانشگاه آکسفورد توضیح داد: در آزمایشگاه برهمکنشهای ناجابجاییپذیر معمولا یک مزاحمت محسوب میشوند زیرا دینامیک ناخواسته ایجاد میکنند اما ما دقیقا از همین ویژگی برای ساخت برهمکنشهای کوانتومی قویتر استفاده کردیم.
پژوهشگران با همان سامانه آزمایشی توانستند میان انواع مختلف فشردهسازی جابهجا شوند و بهترتیب فشردهسازی استاندارد تریاسکوئیزینگ و در نهایت برای نخستینبار در جهان کواداسکوئیزینگ را تولید کنند. آنها با تنظیم دقیق فرکانس، فاز و شدت نیروهای اعمالشده موفق شدند نوع برهمکنش ایجادشده را کنترل و اثرات ناخواسته را تا حد زیادی حذف کنند.
به گفته بازاوان اهمیت این دستاورد تنها در تولید یک حالت کوانتومی جدید خلاصه نمیشود بلکه این پژوهش یک روش کاملا تازه برای مهندسی برهمکنشهایی ارائه میدهد که پیشتر دسترسی به آنها ممکن نبود. او تاکید کرد که برهمکنش کواداسکوئیزینگ در این آزمایش بیش از ۱۰۰ برابر سریعتر از روشهای مرسوم ایجاد شده است؛ موضوعی که امکان استفاده عملی از این اثرات را فراهم میکند.
تیم پژوهشی برای اطمینان از موفقیت آزمایش حرکت کوانتومی یون را بازسازی و تحلیل کرد. نتایج اندازهگیریها الگوهای مشخصی را نشان داد که بهترتیب به فشردهسازی مرتبه دوم، سوم و چهارم مربوط بودند و شواهد روشنی از تولید موفق این برهمکنشها ارائه کردند.
پژوهشگران اکنون در حال گسترش این روش به سامانههای پیچیدهتر با چندین حالت حرکتی هستند. از آنجا که این تکنیک از ابزارهایی استفاده میکند که در بسیاری از پلتفرمهای کوانتومی موجود هستند احتمال میرود به روشی گسترده و کاربردی برای مطالعه رفتارهای پیشرفته کوانتومی تبدیل شود.
این فناوری همچنین با اندازهگیریهای میانمداری اسپین یون ترکیب شده و برای ایجاد برهمنهیهای انعطافپذیر از حالتهای فشرده و حتی شبیهسازی نظریههای میدان شبکهای مورد استفاده قرار گرفته است.
Raghavendra Srinivas از نویسندگان و سرپرست این پژوهش در پایان گفت: ما در اصل نوع جدیدی از برهمکنش را نشان دادهایم که به ما اجازه میدهد وارد قلمروهای ناشناخته فیزیک کوانتومی شویم و واقعا برای کشفیات آینده هیجانزده هستیم.
انتهای پیام/