فیزیکدانان نوع کاملاً جدیدی از درهم تنیدگی کوانتومی را کشف کردند

فیزیکدانان آزمایشگاه ملی بروکهاون (BNL) نوع کاملا جدیدی از درهم تنیدگی کوانتومی را کشف کرده‌اند، پدیده ای شبح‌وار که ذرات را در هر فاصله‌ای به هم متصل می‌کند. در آزمایش‌های برخورددهنده ذرات، درهم‌تنیدگی جدید به دانشمندان این امکان را می‌دهد تا نسبت به گذشته، با جزئیات بیشتری به درون هسته‌های اتمی نگاه کنند. برای آشنایی با این موضوع جذاب با اروتک همراه باشید.

دو ذره می‌توانند چنان با یکدیگر درهم‌تنیده شوند که دیگر نمی‌توان یکی را بدون دیگری توصیف کرد، مهم نیست چقدر از هم دور باشند. با این حال نکته عجیب‌تر این است که تغییر یکی فوراً باعث تغییر در شریکش می‌شود، حتی اگر در آن سوی جهان باشد! این ایده که به‌عنوان درهم تنیدگی کوانتومی شناخته می‌شود، برای ما غیرممکن به نظر می‌رسد، زیرا ما در قلمرو فیزیک کلاسیک هستیم. حتی انیشتین هم زیر بار آن نمی‌رفت و از آن به عنوان “کنش شبح‌وار از راه‌دور (Spooky action at a distance)” یاد می‌کرد. با این حال، چندین دهه آزمایش مداوم از این ایده پشتیبانی کرده است و اساس فناوری‌های نوظهور مانند رایانه‌های کوانتومی و شبکه‌ها را تشکیل می‌دهد.

معمولاً مشاهدات درهم تنیدگی کوانتومی بین جفت فوتون‌ها یا الکترون‌هایی که ماهیت یکسانی دارند انجام می‌شود. اما اکنون، برای اولین بار، تیم BNL، جفت ذرات غیرمشابه را که تحت درهم تنیدگی کوانتومی قرار دارند، شناسایی کرده است.

این کشف در برخورددهنده یون سنگین نسبیتی (RHIC) در آزمایشگاه بروکهاون انجام شد که با شتاب دادن و کوبیدن یون‌های طلا، اَشکالی از ماده را که در کیهان اولیه وجود داشت، بررسی می‌کند. اما این تیم تحقیقاتی دریافت که حتی زمانی که یون‌ها با هم برخورد نمی‌کنند، چیزهای زیادی برای یادگیری از هسته‌های آن‌ها وجود دارد.

یون‌های طلای شتاب‌دار توسط ابرهای کوچکی از فوتون‌ها احاطه شده‌اند و وقتی دو یون از نزدیکی یکدیگر عبور می‌کنند، فوتون‌های یکی می‌توانند تصویری از ساختار داخلی دیگری را با جزئیات بیشتر از همیشه ثبت کنند. این کشف به تنهایی برای فیزیکدانان به اندازه کافی جذاب است، اما این فرآیند تنها به‌لطف شکل بی‌سابقه‌ای از درهم تنیدگی کوانتومی می‌تواند اتفاق بیفتد.

فوتون‌ها با ذرات بنیادی درون هسته هر یون برهم‌کنش می‌کنند و آبشاری را به راه می‌اندازند که در نهایت جفت ذره‌ای به نام “پیون (pion)” (یکی مثبت و دیگری منفی) تولید می‌کند. همانطور که ممکن است از فیزیک دبیرستان به یاد داشته باشید، برخی از ذرات را می‌توان به عنوان امواج نیز توصیف کرد و در این مورد، “امواج هر دو پیون منفی یکدیگر را تقویت می‌کنند و امواج هر دو پیون مثبت یکدیگر را تقویت می‌کنند” که منجر به برخورد تنها یک تابع موج پیون مثبت و منفی به آشکارساز می‌شود.

این نشان می‌دهد که هر جفت پیون مثبت و منفی با یکدیگر درگیر شده‌اند. این تیم تحقیقاتی می‌گوید اگر این‌ پیون‌ها نبودند، توابع موجی که به آشکارساز برخورد می‌کنند کاملاً تصادفی بودند. به این ترتیب، این اولین تشخیص درهم تنیدگی کوانتومی ذرات غیرمشابه است.

تصویر بالا نشان می‌دهد که چگونه نوع تازه کشف‌شده درهم تنیدگی کوانتومی شناسایی شده است. دایره‌های زرد، یون‌های طلا هستند و دایره‌های آبی و صورتی به ترتیب پیون‌های مثبت و منفی. امواج هر کدام امواج همان پیون را از یون دیگر تقویت می‌کنند، به‌طوری که در دو سیگنال قوی به آشکارساز برخورد می‌کنند که به صورت غلظت امواج آبی و صورتی در بالای تصویر دیده می‌شود. این تنها در صورتی می‌تواند کار کند که پیون‌های مثبت و منفی هر یون دارای درهم‌تنیده کوانتومی باشند، به شکلی که قبلاً آزمایشگاه ملی بروکهاون دیده نشده است.

ژانگبو ژو، نویستنده این مقاله گفته است:

ما دو ذره خروجی را اندازه‌گیری می‌کنیم و به‌وضوح بارهای آنها متفاوت است (آنها ذرات متفاوتی هستند) اما ما الگوهای تداخلی را می‌بینیم که نشان می‌دهد این ذرات، درهم‌تنیده یا با یکدیگر همگام هستند، حتی اگر آنها ذرات قابل‌تشخیص جداگانه باشند.

همراه با گسترش درک ما از فیزیک کوانتومی، این کشف می‌تواند منجر به فناوری‌های جدیدی شود، مانند روشی که این تیم برای بررسی درون هسته یون‌های طلا از آن استفاده کرده است.

این تحقیق در مجله Science Advances منتشر شده است.

منبع: Newatlas