درهم‌تنیدگی کوانتومی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
فرآیند تبدیل رو به پایینِ پارامتریِ خودبه‌خودی، قادر به شکاف فوتون‌ها به یک جفت فوتون نوع II است که دارای قطبش متقابلاً متعامد اند.

درهم‌تنیدگی کوانتومی (Quantum Entanglement)، پدیده‌ای فیزیکی است و هنگامی رخ می‌دهد که گروهی از ذرات تولید شده، برهمکنش می‌کنند یا در مجاورت فضایی (مکانی) قرار می‌گیرند، به گونه‌ای که حالت کوانتومی هیچ ذره درون گروه را نتوان به‌طور مستقل از حالت سایر ذرات توصیف نمود. این حالت وقتی که ذرات در فاصله زیاد از یکدیگر قرار داشته باشند نیز رخ می‌دهد. موضوع درهم‌تنیدگی کوانتومی در قلب ناهم‌خوانی بین فیزیک کلاسیک و کوانتومی قرار دارد: درهم‌تنیدگی یکی از ویژگی‌های اصلی مکانیک کوانتومی است که مکانیک کلاسیک فاقد آن می‌باشد.

در مواردی، اندازه‌گیری‌های خواص فیزیکی چون مکان، تکانه، اسپین و قطبش، روی ذرات درهم‌تنیده کاملاً با هم همبستگی دارند. به عنوان مثال، اگر یک جفت از ذرات درهم‌تنیده تولید شوند، چنان‌که اسپین کلشان صفر باشد و یکی از آن‌ها اسپین ساعت‌گرد حول محور اول داشته باشد، آنگاه اگر اسپین ذره دیگر را روی همان محور اندازه بگیریم، پادساعت‌گرد خواهد بود. اما این رفتار منجر به اثرات به ظاهر متناقضی می‌گردد: هرگونه اندازه‌گیری خواص ذره منجر به فروپاشی بی‌بازگشت تابع موج آن ذره شده و حالت کوانتومی اصلی را تغییر می‌دهد. چنین اندازه‌گیری‌هایی روی ذرات درهم‌تنیده، کل دستگاه درهم‌تنیده‌شان را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

چنین پدیده‌هایی موضوع مقاله ۱۹۳۵ میلادی بودند که توسط آلبرت اینشتین، بوریس پودولسکی و نیتان روزن نوشته شد،[۱] همچنین این پدیده‌ها موضوع مقالات متعددی بود که مدت کوتاهی پس از آن توسط اروین شرودینگر نوشته شدند[۲][۳] و به توصیف چیزی پرداخت که بعدها به پارادوکس EPR معروف شد. اینشتین و دیگران، چنین رفتاری را غیرممکن برشمرده و آن را در تضاد با دیدگاه واقعیت‌گرایانه (رئالیسم) موضعی، نسبت به علیت دانسته (اینشتین از آن به عنوان «کنش ترسناک از راه دور» یاد می‌کرد)[الف] و از این رو استدلال می‌کردند که لزوماً باید فرمولاسیون پذیرفته‌شده در مکانیک کوانتومی ناقص باشد.

با این حال، بعدها، پیش‌بینی‌های ضدشهودی مکانیک کوانتومی، در آزمایش‌هایی که قطبش یا اسپین ذرات درهم‌تنیده در موقعیت‌های جدا از هم اندازه‌گیری شدند، تأیید شده[۴][۵][۶] و بدین طریق نابرابری بل را نقض کردند. در آزمایش‌های قبل‌تر، امکان رد کردن این حقیقت وجود نداشت که: نتایج یک نقطه، کمی به نقاط دورتر انتقال یافته باشند و ازین رو خروجی مکان ثانویه را تحت تأثیر قرار داده باشند.[۶] با این حال، آزمایش‌ها بل که اصطلاحاً به آن‌ها «بدون-گریزگاه» [ب] گفته می‌شود، صورت پذیرفتند، در این آزمایش‌ها، فاصله‌ها به میزان کافی طولانی بودند، به گونه‌ای که ارتباط نوری بین این مکان‌ها از نظر زمانی بیشتر طول می‌کشیدند، حتی در یک مورد ارتباط نوری ۱۰ هزار مرتبه طولانی‌تر از فاصله زمانی اندازه‌گیری شده بود.[۵][۴]

براساس برخی از تفاسیر مکانیک کوانتومی، اثر یک اندازه‌گیری، به‌طور آنی ظهور پیدا می‌کند. سایر تفاسیری که فروپاشی تابع موج را درک نمی‌کنند، این که چنین اندازه‌گیری‌هایی اصلاً اثری داشته باشند را به چالش می‌کشند. با این حال، تمام تفاسیر بر سر این نکته توافق نظر دارند که: درهم‌تنیدگی موجب ایجاد همبستگی بین اندازه‌گیری‌ها شده و اطلاعات متقابل را بین ذرات درهم‌تنیده را می‌توان مورد بهره‌برداری قرار داد، اما هرگونه انتقال سریع‌تر از نور اطلاعات غیرممکن است.[۷][۸]

درهم‌تنیدگی کوانتومی به‌طور تجربی روی این موارد نشان داده شده: فوتون‌ها،[۹][۱۰] نوترینوها،[۱۱] الکترون‌ها،[۱۲][۱۳] مولکول‌هایی به بزرگی باکی‌بال‌ها[۱۴][۱۵] و حتی الماس‌های کوچک.[۱۶][۱۷] به کار بردن درهم‌تنیدگی در ارتباطات، محاسبات و رادارهای کوانتومی، حوزه بسیار فعالی در تحقیق و توسعه می‌باشد.

تاریخچه

تیتر روزنامه نیویورک تایمز در تاریخ ۴ می سال ۱۹۳۵ میلادی، مربوط به مقاله پارادوکس EPR.

پیش‌بینی‌های مکانیک کوانتومی در مورد سامانه‌های قویاً همبسته، اولین بار در ۱۹۳۵ میلادی توسط آلبرت اینشتین، در مقاله مشترکی با بوریس پودولسکی و نیتان روزن مورد بحث قرار گرفت.[۱] این سه نفر در این مطالعه، پارادوکس EPR را فرموله بندی کردند، این پارادوکس، آزمایش فکری بود که تلاش داشت نشان دهد «توصیف مکانیک کوانتومی از واقعیت فیزیکی که توسط توابع موج ارائه شده کامل نیست.»[۱] با این حال، این سه دانشمند اصطلاح درهم‌تنیدگی[پ] را ابداع نکردند، همچنین آن‌ها نبودند که خواص حالت مدنظرشان را تعمیم دادند. پس از مقاله EPR، اروین شرودینگر نامه‌ای به زبان آلمانی به اینشتین نوشت که در آن واژه Verschränkung را به کار برده بود،[ت] «تا همبستگی بین دو ذره‌ای که همچون آزمایش EPR با هم برهمکنش دارند و سپس جدا می‌شوند را توصیف کند.»[۱۸]

مدت کوتاهی پس از آن، شرودینگر مقاله مهمی منتشر کرد و در آن در مورد مفهوم «درهم‌تنیدگی» بحث کرد. او در آن مقاله، اهمیت این مفهوم را درک کرده و بیان نمود:[۲] «من [درهم‌تنیدگی] را یک ویژگی مشخصه از مکانیک کوانتومی نمی‌نامم، بلکه آن را ویژگی مشخصه مکانیک کوانتومی می‌نامم، ویژگی‌ای که آن را به‌طور کامل از خطوط فکری کلاسیک جدا می‌سازد.»[ث] شرودینگر نیز همچون اینشتین نسبت به مفهوم درهم‌تنیدگی رضایت خاطر نداشت، چون به نظر می‌رسید که حد سرعت انتقال اطلاعاتی که به‌طور ضمنی در نظریه نسبیت قید شده‌است را نقض می‌کند.[۱۹] اینشتین بعدها در قول معروفی درهم‌تنیدگی را با عبارت «spukhafte Fernwirkung»‏[۲۰] یا «spooky action at distance» یا «کنش ترسناک از راه دور» به سخره گرفت.

مقاله EPR علاقه‌مندی شدیدی را بین فیزیکدانان به‌وجود آورد که موجبات بحث پیرامون بنیان‌های مکانیک کوانتومی را فراهم نمود (شاید یکی از معروف ترینشان، تفسیر بوهمی از مکانیک کوانتومی باشد)، اما اثر آن بر روی انتشار آثار علمی دیگر نسبتاً اندک بود. با وجود این موج علاقه‌مندی، نقطه ضعف استدلال EPR تا ۱۹۶۴ میلادی کشف نشد، هنگامی که جان استوارت بل اثبات نمود که فرضیات کلیدی آن‌ها، یعنی اصل جایگزیدگی (یا اصل موضعی)، از نظر ریاضیاتی با پیش‌بینی‌های نظریه کوانتوم ناسازگاری دارد. این اصل توسط EPR به دلیل تفسیر متغیرهای پنهان از مکانیک کوانتومی به کار رفته بود.

به‌خصوص بل حد بالایی که در نابرابری بل مشاهده می‌شود را برقرار ساخت. این حد بالایی مربوط به قدرت همبستگی‌های ناشی از هرنوع نظریه‌ای است که از واقعیت‌گرایی موضعی[ج] تبعیت می‌کند. همچنین او نشان داد که نظریه کوانتومی نقض این حد را برای برخی از سامانه‌های درهم‌تنیده پیش‌بینی می‌کند.[۲۱] نامساوی او به صورت تجربی قابل آزمودن است و چندین آزمایش مرتبط با آن صورت پذیرفته که کارهای استوارت فریدمن و جان کلوسر در ۱۹۷۲ میلادی[۲۲] و کارهای آلن اسپه در ۱۹۸۲ میلادی جزو اولینشان است.[۲۳] یکی دیگر از اولین موفقیت‌های تجربی ناشی از کارهای کارل کوچر است،[۹][۱۰] او پیش از این هم در ۱۹۶۷ میلادی دستگاهی را رونمایی کرد که دو فوتون را پشت سر هم از یک اتم کلسیم منتشر ساخته و نشان‌داده شد که این دو نسبت به هم درهم‌تنیده‌اند. این آزمایش، اولین مورد از درهم‌تنیدگی نور مرئی بود. این دو فوتون به صورت قطری از قطبنده‌های موازی عبور می‌کردند که احتمال بالاتری نسبت به پیش‌بینی‌کلاسیک داشتند، اما همبستگی کمیشان در توافق با محاسبات مکانیک کوانتومی بود. همچنین او نشان داد که همبستگی این دو تنها به نسبت مربع کسینوس زاویه بین چینش قطبنده‌ها بستگی داشته[۱۰] و به صورت نمایی وابسته به تأخیر زمانی بین انتشار فوتون‌ها است.[۲۴] فریدمن و کلوسر دستگاه کوچر را مجهز به قطبنده‌های بهتری کردند و توانستند وابستگی به مربع کسینوس را تأیید کرده و از آن جهت اثبات نقض نابرابری بل برای مجموعه زوایای ثابت استفاده کنند.[۲۲] نشان داده شده که تمام این آزمایش‌ها در توافق و سازگاری با مکانیک کوانتومی بوده و با اصل واقع‌گرایی موضعی (یا جایگزیده) در توافق نیست.

در طول دهه‌ها، افراد مختلف، هرکدام حداقل یک گریزگاه یافته‌اند که از طریق آن درست بودن نتایج را زیر سؤال ببرد. با این حال در ۲۰۱۵ میلادی آزمایشی انجام شد که همزمان گریزگاه‌های مربوط به تشخیص و جایگزیدگی را بست و بدان «بدون گریزگاه»[چ] گفته شد؛ این آزمایش دسته بزرگی از نظریات واقع‌گرایانه موضعی را با قطعیت رد کرد.[۲۵] آلن اسپه خاطرنشان می‌سازد که «گریزگاه مستقل از چینش»[ح]، که او از آن به بعید[خ] یاد می‌کرد، هنوز «گریزگاه باقی‌مانده» ای است که «نمی‌توان از آن اجتناب نمود.» و باید بسته شود. گریزگاه اختیاری/ابرقطعیت‌گرایی غیرقابل بستن است؛ همچنین او گفت: «نمی‌توان گفت که هیچ آزمایشی، هرچقدر هم ایده‌آل باشد، کاملاً بدون گریزگاه است.»[۲۶]

کارهای بل، امکان استفاده از این همبستگی‌های ابر-قوی را به عنوان منبعی جهت ارتباطات فراهم نمود. کارهای او منجر به کشف پروتکل‌های توزیع کلید کوانتومی در ۱۹۸۴ میلادی شد که معروف‌ترینشان BB84 توسط چارلز اچ. بنت و گیلز برسارد[۲۷] و E91 توسط آرتور اکرت بود.[۲۸] اگرچه که BB84 از درهم‌تنیدگی استفاده نمی‌کند، اما پروتکل اکرت از نقض نابرابری بل به عنوان اثبات امن بودن این پروتکل استفاده میکند.

ایران در تاریخ ۶ بهمن ۱۳۹۹ با آزمایش انتقال امن کوانتومی فوتون ها میان ساختمان مرکز فناوری‌های کوانتومی ایران تا تراز ۳۰۰ متری برج میلاد به مسافت ۱۶۵۰ متر به این فناوری دست یافت.ایران پیش از این در دو آزمایش که در آزمایش اول به طول دومتر و آزمایش دوم به طول دوساختمان هم توانسته بود با موفقیت این آزمایش ها را انجام دهند.به گفته رئیس سازمان انرژی اتمی ایران آقای صالحی، ایران ششمین کشوری است که به این فناوری دست پیدا می‌کند. [۲۹]

چیستی

بر اساس تفسیر کپنهاگی از مکانیک کوانتومی، حالت دو ذره جفت شده تا زمان مشاهده نامعین باقی می‌ماند. با انجام اندازه‌گیری یکی از کمیت‌های جفت شده ذره اول معین می‌شود، این امر موجب می‌شود بی‌درنگ مقدار متناظر در ذره دوم مشخص گردد. به عبارت دیگر اگر دو سیستم یک بار با هم اندرکنش داشته و سپس از هم جدا شوند، اندازه‌گیری روی یکی از آن‌ها تأثیری آنی در حالت دیگری ایجاد می‌کند، حتی اگر این دو ذره خیلی از هم دور شده باشند. به‌طور مثال با مشخص شدن اینکه اسپین یکی از ذرات بالا است، اسپین ذره دوم بی‌درنگ به حالت پایین می‌رود. ارتباط دو ذره توسط این پدیده تا امروز در فواصل چند ده متر (در آزمایشگاه) تا صدها کیلومتر آزموده شده است.

پیوندهای مرتبط

یادداشت‌ها

  1. Physicist John Bell depicts the Einstein camp in this debate in his article entitled "Bertlmann's socks and the nature of reality", p. 143 of Speakable and unspeakable in quantum mechanics: "For EPR that would be an unthinkable 'spooky action at a distance'. To avoid such action at a distance they have to attribute, to the space-time regions in question, real properties in advance of observation, correlated properties, which predetermine the outcomes of these particular observations. Since these real properties, fixed in advance of observation, are not contained in quantum formalism, that formalism for EPR is incomplete. It may be correct, as far as it goes, but the usual quantum formalism cannot be the whole story." And again on p. 144 Bell says: "Einstein had no difficulty accepting that affairs in different places could be correlated. What he could not accept was that an intervention at one place could influence, immediately, affairs at the other." Downloaded 5 July 2011 from Bell, J. S. (1987). Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics (PDF). CERN. ISBN 0-521-33495-0. Archived from the original (PDF) on 12 April 2015. Retrieved 14 June 2014.
  2. loophole-free
  3. entanglement
  4. خود شرودینگر آن را به صورت entanglement ترجمه کرد.
  5. یعنی یک ویژگی از بین ویژگی‌های مختلف نیست، بلکه به دلیل اهمیتش آن را به صورت معرفه صدا کرد، نه نکره
  6. local realism
  7. loophole-free
  8. setting-independence loophole
  9. far-fetched

منابع

  1. ۱٫۰ ۱٫۱ ۱٫۲ Einstein A, Podolsky B, Rosen N; Podolsky; Rosen (1935). "Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?". Phys. Rev. 47 (10): 777–780. Bibcode:1935PhRv...47..777E. doi:10.1103/PhysRev.47.777.
  2. ۲٫۰ ۲٫۱ Schrödinger E (1935). "Discussion of probability relations between separated systems". Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society. 31 (4): 555–563. Bibcode:1935PCPS...31..555S. doi:10.1017/S0305004100013554.
  3. Schrödinger E (1936). "Probability relations between separated systems". Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society. 32 (3): 446–452. Bibcode:1936PCPS...32..446S. doi:10.1017/S0305004100019137.
  4. ۴٫۰ ۴٫۱ Yin, Juan; Cao, Yuan; Yong, Hai-Lin; Ren, Ji-Gang; Liang, Hao; Liao, Sheng-Kai; Zhou, Fei; Liu, Chang; Wu, Yu-Ping; Pan, Ge-Sheng; Li, Li; Liu, Nai-Le; Zhang, Qiang; Peng, Cheng-Zhi; Pan, Jian-Wei (2013). "Bounding the speed of 'spooky action at a distance". Physical Review Letters. 110 (26): 260407. arXiv:1303.0614. Bibcode:2013PhRvL.110z0407Y. doi:10.1103/PhysRevLett.110.260407. PMID 23848853. S2CID 119293698.
  5. ۵٫۰ ۵٫۱ Matson, John (13 August 2012). "Quantum teleportation achieved over record distances". Nature News. doi:10.1038/nature.2012.11163. S2CID 124852641.
  6. ۶٫۰ ۶٫۱ Francis, Matthew. Quantum entanglement shows that reality can't be local, Ars Technica, 30 October 2012
  7. Roger Penrose, The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of the Universe, London, 2004, p. 603.
  8. Griffiths, David J. (2004), Introduction to Quantum Mechanics (2nd ed.), Prentice Hall, ISBN 978-0-13-111892-8
  9. ۹٫۰ ۹٫۱ Kocher, CA; Commins, ED (1967). "Polarization Correlation of Photons Emitted in an Atomic Cascade". Physical Review Letters. 18 (15): 575–577. Bibcode:1967PhRvL..18..575K. doi:10.1103/PhysRevLett.18.575.
  10. ۱۰٫۰ ۱۰٫۱ ۱۰٫۲ Carl A. Kocher, Ph.D. Thesis (University of California at Berkeley, 1967). Polarization Correlation of Photons Emitted in an Atomic Cascade
  11. J. A. Formaggio, D. I. Kaiser, M. M. Murskyj, and T. E. Weiss (2016), "Violation of the Leggett-Garg inequality in neutrino oscillations". Phys. Rev. Lett. Accepted 23 June 2016.
  12. Hensen, B.; et al. (21 October 2015). "Loophole-free Bell inequality violation using electron spins separated by 1.3 kilometres". Nature. 526 (7575): 682–686. arXiv:1508.05949. Bibcode:2015Natur.526..682H. doi:10.1038/nature15759. hdl:2117/79298. PMID 26503041. S2CID 205246446. See also free online access version.
  13. Markoff, Jack (21 October 2015). "Sorry, Einstein. Quantum Study Suggests 'Spooky Action' Is Real". The New York Times. Retrieved 21 October 2015.
  14. Arndt, M; Nairz, O; Vos-Andreae, J; Keller, C; van der Zouw, G; Zeilinger, A (14 October 1999). "Wave–particle duality of C60 molecules". Nature. 401 (6754): 680–682. Bibcode:1999Natur.401..680A. doi:10.1038/44348. PMID 18494170. S2CID 4424892. (نیازمند آبونمان)
  15. Olaf Nairz, Markus Arndt, and Anton Zeilinger, "Quantum interference experiments with large molecules", American Journal of Physics, 71 (April 2003) 319–325.
  16. Lee, K. C.; Sprague, M. R.; Sussman, B. J.; Nunn, J.; Langford, N. K.; Jin, X. - M.; Champion, T.; Michelberger, P.; Reim, K. F.; England, D.; Jaksch, D.; Walmsley, I. A. (2 December 2011). "Entangling macroscopic diamonds at room temperature". Science. 334 (6060): 1253–1256. Bibcode:2011Sci...334.1253L. doi:10.1126/science.1211914. PMID 22144620. S2CID 206536690. Lay summary.
  17. sciencemag.org, supplementary materials
  18. Kumar, M. , Quantum, Icon Books, 2009, p. 313.
  19. Alisa Bokulich, Gregg Jaeger, Philosophy of Quantum Information and Entanglement, Cambridge University Press, 2010, xv.
  20. Letter from Einstein to Max Born, 3 March 1947; The Born-Einstein Letters; Correspondence between Albert Einstein and Max and Hedwig Born from 1916 to 1955, Walker, New York, 1971. (cited in M. P. Hobson; et al. (1998), "Quantum Entanglement and Communication Complexity (1998)", SIAM J. Comput., 30 (6): 1829–1841, CiteSeerX 10.1.1.20.8324)
  21. J. S. Bell (1964). "On the Einstein-Poldolsky-Rosen paradox". Physics Physique Физика. 1 (3): 195–200. doi:10.1103/PhysicsPhysiqueFizika.1.195.
  22. ۲۲٫۰ ۲۲٫۱ Freedman, Stuart J.; Clauser, John F. (1972). "Experimental Test of Local Hidden-Variable Theories". Physical Review Letters. 28 (14): 938–941. Bibcode:1972PhRvL..28..938F. doi:10.1103/PhysRevLett.28.938.
  23. A. Aspect; P. Grangier; G. Roger (1982). "Experimental Realization of Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm Gedankenexperiment: A New Violation of Bell's Inequalities". Physical Review Letters. 49 (2): 91–94. Bibcode:1982PhRvL..49...91A. doi:10.1103/PhysRevLett.49.91.
  24. Kocher, CA (1971). "Time correlations in the detection of successively emitted photons". Annals of Physics. 65 (1): 1–18. Bibcode:1971AnPhy..65....1K. doi:10.1016/0003-4916(71)90159-X.
  25. Hanson, Ronald (2015). "Loophole-free Bell inequality violation using electron spins separated by 1.3 kilometres". Nature. 526 (7575): 682–686. arXiv:1508.05949. Bibcode:2015Natur.526..682H. doi:10.1038/nature15759. PMID 26503041. S2CID 205246446.
  26. Aspect, Alain (2015-12-16). "Viewpoint: Closing the Door on Einstein and Bohr's Quantum Debate". Physics. 8: 123. Bibcode:2015PhyOJ...8..123A. doi:10.1103/physics.8.123.
  27. C. H. Bennett and G. Brassard. "Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing". In Proceedings of IEEE International Conference on Computers, Systems and Signal Processing, volume 175, p. 8. New York, 1984. http://researcher.watson.ibm.com/researcher/files/us-bennetc/BB84highest.pdf
  28. Ekert, A.K. (1991). "Quantum cryptography based on Bell's theorem". Phys. Rev. Lett. 67 (6): 661–663. Bibcode:1991PhRvL..67..661E. doi:10.1103/PhysRevLett.67.661. ISSN 0031-9007. PMID 10044956.
  29. ایران، پایگاه اطلاع رسانی شبکه خبر صدا و سیمای جمهوری اسلامی (۱۳۹۹). «انتقال امن کوانتومی فوتون‌ها در ایران». fa. دریافت‌شده در ۲۰۲۱-۰۱-۲۵.