اثر مگنوس نوری برای نخستینبار در نور کوانتومی مشاهده شد
پژوهشگران برای نخستینبار اثر مگنوس نوری را بهصورت مستقیم مشاهده کردند؛ پدیدهای که میتواند جابهجایی بسیار کوچکی در نحوه برهمکنش لیزر با یونها ایجاد کند و در کنترل دقیق کیوبیتها در رایانش کوانتومی اهمیت داشته باشد.
به گزارش گروه ترجمه خبرگزاری برنا به نقل از انگجت، پژوهشگران برای نخستینبار موفق به مشاهده مستقیم اثر مگنوس نوری (Optical Magnus Effect) شدهاند، پدیدهای در مقیاس بسیار کوچک که مشابه یکی از پدیدههای شناختهشده در حرکت اجسام چرخان در هواست و میتواند در کنترل دقیق کیوبیتها در رایانههای کوانتومی مورد توجه قرار گیرد.
هر کسی که مسیر منحنی یک توپ فوتبال در حال چرخش را هنگام عبور از کنار دیوار دفاعی دیده باشد با اثر چرخش بر مسیر حرکت جسم آشناست. زمانی که توپ در حال حرکت در هوا میچرخد، چرخش آن باعث ایجاد نیروهای نامتقارن در اطراف توپ میشود و در نتیجه مسیر توپ از جهت اولیه خود منحرف میشود. فیزیکدانان این پدیده را اثر مگنوس (Magnus Effect) مینامند.
اکنون یک گروه بینالمللی از پژوهشگران اثر مشابهی را در مقیاسی بسیار کوچکتر و در برهمکنش نور و ماده مشاهده کردهاند. این تیم به سرپرستی دانشمندان موسسه پل شرر (Paul Scherrer Institute - PSI) در سوئیس اثر مگنوس نوری را با استفاده از نور لیزر و یک یون منفرد کلسیم بررسی و برای نخستینبار جابهجایی ناشی از این اثر را بهصورت تجربی اندازهگیری کرده است.
لیزر دقیقا به نقطه مورد انتظار برخورد نمیکند
در نگاه نخست انتظار میرود بیشترین برهمکنش میان یک پرتو لیزر و یک ذره در مرکز پرتو رخ دهد؛ جایی که شدت نور بیشترین مقدار را دارد، اما هنگامی که پرتو لیزر بهشدت متمرکز میشود ساختار فضایی میدان الکترومغناطیسی آن نیز تغییر میکند.
این تغییر در ساختار میدان باعث میشود نقطهای که برهمکنش نور با ذره در آن بیشترین شدت را دارد اندکی از مرکز مورد انتظار منحرف شود. این جابهجایی بسیار کوچک همان اثری است که پژوهشگران آن را اثر مگنوس نوری مینامند.
در این پدیده برخلاف اثر مگنوس در توپ فوتبال که خود جسم مسیر منحنی پیدا میکند یون در فضا بهطور محسوس منحرف نمیشود. در عوض محل برهمکنش بیشینه میان نور و یون اندکی به یک سمت جابهجا میشود.
یک یون منفرد حسگر اندازهگیری جابهجایی شد
برای اندازهگیری این جابهجایی پژوهشگران از یک یون منفرد کلسیم استفاده کردند که با کمک میدانهای الکترومغناطیسی در یک تله یونی (Ion Trap) تقریبا بدون حرکت نگه داشته شده بود.
اهمیت این روش از آنجا ناشی میشود که یونهای بهدامافتاده نهتنها میتوانند برای انجام آزمایشهای فیزیکی با دقت بالا مورد استفاده قرار گیرند، بلکه یکی از پلتفرمهای مورد استفاده در ساخت رایانههای کوانتومی نیز هستند. در رایانش کوانتومی مبتنی بر یونهای بهدامافتاده، از لیزرها برای کنترل حالتهای کوانتومی کیوبیتها با دقت بسیار بالا استفاده میشود.
پژوهشگران در این آزمایش پرتو لیزر متمرکز را نسبت به یون جابهجا کردند و میزان برهمکنش یون با نور را در موقعیتهای مختلف اندازه گرفتند. با بررسی تغییرات شدت این برهمکنش آنها توانستند محل بیشترین اثرگذاری لیزر را مشخص کنند.
فیلیپ لایندکر، نویسنده نخست این پژوهش از مرکز علوم فوتون موسسه پل شرر و گروه فیزیک موسسه فناوری فدرال زوریخ (ETH Zurich) درباره این روش توضیح داد: یون ما مانند یک حسگر بسیار کوچک عمل میکند که میتوانیم از آن برای بررسی ساختار نور لیزر استفاده کنیم.
به گفته او این روش امکان اندازهگیری جابهجاییهایی در حد چند صد نانومتر را فراهم کرده است؛ حساسیتی که برای مشاهده مستقیم اثر مگنوس نوری ضروری بود.
جابهجایی کوچک اما مهم برای رایانش کوانتومی
یکی از یافتههای قابل توجه این آزمایش نحوه وابستگی اندازه این جابهجایی بود. پژوهشگران دریافتند اندازه جابهجایی ایجادشده تنها به طول موج نور لیزر وابسته است و به میزان تمرکز پرتو لیزر وابستگی ندارد.
این ویژگی میتواند برای رایانههای کوانتومی مبتنی بر یونهای بهدامافتاده اهمیت داشته باشد. در این سامانهها لیزرها باید با دقت بسیار بالا به کیوبیتهای منفرد تابانده شوند تا حالت کوانتومی آنها را کنترل کنند.
در چنین شرایطی حتی یک جابهجایی بسیار کوچک در نقطهای که لیزر بیشترین برهمکنش را با یون دارد میتواند در صورت نادیده گرفته شدن بر دقت عملیات کنترل کیوبیت اثر بگذارد و به ایجاد خطا منجر شود.
با این حال پژوهشگران معتقدند این اثر الزاما یک محدودیت نیست و میتوان از آن بهعنوان یک قابلیت جدید نیز استفاده کرد.
لایندکر میگوید نیروهایی که این اثر ایجاد میکند، میتوانند برای برقراری ارتباط میان کیوبیتها مورد استفاده قرار گیرند و امکان انجام محاسبات پیچیدهتر را فراهم کنند.
تأیید یک پیشبینی نظری
اثر مگنوس نوری پیش از این از نظر نظری پیشبینی شده بود. دانشمندانی در دانشگاه آمستردام چند سال پیش وجود این پدیده را در چارچوب نظری بررسی کرده بودند.
اکنون آزمایش جدید با اندازهگیری مستقیم این جابهجایی، شواهد تجربی برای این پیشبینی فراهم کرده و علاوه بر تایید وجود اثر، اطلاعات دقیقتری درباره نحوه رفتار آن ارائه داده است.
این یافته نشان میدهد ساختار فضایی نور هنگام تمرکز شدید میتواند بر محل دقیق برهمکنش نور و ماده اثر بگذارد؛ موضوعی که در سامانههایی مانند رایانش کوانتومی که کنترل ذرات و حالتهای کوانتومی با دقت بسیار بالا اهمیت دارد میتواند مورد توجه قرار گیرد.
نتایج این پژوهش در مجله علمی Physical Review Letters منتشر شده است.
انتهای پیام/
