داستان اتفاقات عجیبی که به نوبل فیزیک ۲۰۲۲ ختم شد!

الهام سروری

۱۸ مهر ۱۴۰۱ | ۱۲:۰۸ زمان مورد نیاز برای مطالعه: ۱۰ دقیقه

همانطور که احتمالا شنیده‌اید، سه فیزیکدان به نام‌های آلن اسپه «Alain Aspect»، جان کلاوسر «John Clauser» و آنتون زایلینگر «Anton Zeilinger» برنده جایزه نوبل فیزیک برای اثبات ماهیت کوانتومی واقعیت در سال ۲۰۲۲ شدند. این فیزیکدانان آزمایش‌هایی را در زمینه‌ی ماهیت پدیده‌ی عجیبی به نام درهم‌تنیدگی کوانتومی «Entanglement» انجام داده‌اند؛ پدیده‌ای که اشتراک اطلاعات بین دو ذره‌ی کاملاً جدا از هم را علی‌رغم عدم وجود هیچ راه قابل تصوری برای برقراری ارتباط نشان می‌دهد!

درهم‌تنیدگی کوانتومی در مقابل آلبرت اینشتین

داستان پدیده‌ای به نام درهم‌تنیدگی کوانتومی ید طولایی در قلب درگیری‌ای آتشین در دهه ۱۹۳۰ بین چند تن از غول‌های فیزیک آن زمان یعنی آلبرت اینشتین «Albert Einstein» در یک طرف ماجرا و نیلز بور «Niels Bohr» و اروین شرودینگر «Erwin Schrödinger» در سوی دیگر یود که حول موضوعاتی در مورد چگونگی عملکرد جهان در سطوح بنیادی، شکل گرفته بود. اینشتین معتقد بود که تمام جنبه‌های واقعیت باید وجودی ملموس و کاملاً قابل درک و شناخته شده داشته باشند و این شامل هر چیزی از اجرامی شبیه به ماه گرفته تا فوتون‌های نور می‌شود! به بیان دیگر واقعیت باید دارای ویژگی‌های دقیقی باشد که از طریق اندازه‌گیری قابل کشف است. با این حال، بور، شرودینگر و دیگر طرفداران مکانیک کوانتومی نوپا در آن زمان اعتقاد داشتند که واقعیت اساساً نامشخص است و یک ذره تا لحظه‌ی اندازه‌گیری، ویژگی‌های مشخصی ندارد.

بور، شرودینگر و دیگر طرفداران مکانیک کوانتومی نوپا در آن زمان اعتقاد داشتند که واقعیت اساساً نامشخص است و یک ذره تا لحظه‌ی اندازه‌گیری، ویژگی‌های مشخصی ندارد؛ در حالی که اینشتین با آن‌ها مخالف بود!

در همین راستا این درهم‌تنیدگی بود که به عنوان راهی تعیین کننده برای تمایز بین این دو نسخه ممکن از واقعیت به جامعه‌ی فیزیک ارائه شد. در آن زمان فیزیکدانی به نام جان بل « John Bell» آزمایش فکری‌ای را پیشنهاد کرد که بعدها توسط اسپه و کلاوسر به کمک آزمایش‌های تجربی مختلفی بهتر درک شد؛ این کار ثابت کرد که حق با شرودینگر بود و مکانیک کوانتومی سیستم عامل جهان به شمار می‌رود.

درواقع از نظر شرودیگر درهم‌تنیدگی پدیده‌ای مستقل در دنیای ما نیست بلکه جنبه‌ای از مکانیک کوانتومی به حساب می‌آید. بنابراین با انجام آزمایشاتی که توسط اسپه و کلاوسر انجام شد چشمان جامعه‌ی فیزیک به عمق اظهارات شرودینگر باز شد و به کمک همین آزمایش‌ها، ابزارهایی برای دستکاری و اندازه‌گیری حالات ذرات درهم‌تنیده در فواصل دور از یکدیگر ارائه شد! علاوه بر پیامدهای فلسفی و پارادایم‌شکن این آزمایش‌ها، با وجود چنین کشفی، درهم‌تنیدگی آماده است تا موج نوظهوری از فناوری‌های کوانتومی را تقویت و به بوته‌ی عملی ببرد! در همین راستا پروفسور زایلینگر در خط مقدم بود و تکنیک‌هایی را به منظور دستیابی به شاهکارهای خیره کننده‌ای همچون شبکه‌ی کوانتومی، دورنگاری کوانتومی «teleportation» و رمزنگاری کوانتومی را به بشریت ارائه کرد.

پیش‌بینی‌ می‌شود که تحقیقات و آزمایش‌های انجام گرفته در زمینه‌ی درهم‌تنیدگی کوانتومی درهایی به دنیای دیگری باز و حتی پایه‌های درک ما از اندازه‌گیری‌ها را متزلزل کند!

اگر جزو علاقه‌مندان به این حوزه‌های خاص باشید حتما می‌دانید که علم اطلاعات کوانتومی «Quantum information science» زمینه‌ای پر جنب و جوش در بین محققان و به سرعت در حال توسعه است و پیامدهای بالقوه و گسترده‌ای در زمینه‌هایی مانند انتقال امن اطلاعات، محاسبات کوانتومی و فناوری‌های حول حسگرها دارد. به طور کلی پیش‌بینی‌ می‌شود که تحقیقات و آزمایش‌های انجام گرفته در این بحث درهایی را به دنیای دیگری باز کند و حتی اساس فهم ما از نحوه‌ی درک اندازه‌گیری‌ها را متزلزل کند!

درهم‌تنیدگی کوانتومی چیست؟

زمانی که دو ذره با یکدیگر سیستم کوانتومی‌ای را بدون توجه به فاصله‌ی بین خود تشکیل می‌دهند، در زبان فیزیکدان‌ها ذرات درهم‌تنیده نام‌گذاری می‌شوند.

در همین راستا به منظور درک این نوع ارتباط کوانتومی، در ابتدا دو الکترون را در نظر بگیرید. همانطور که می‌دانید الکترون‌ها دارای خصیصه‌ای کوانتومی به نام اسپین هستند که در زمان اندازه‌گیری می‌تواند یکی از دو مقدارِ بالا «UP» یا پایین «DOWN» را به دست آورند. درواقع اندازه‌گیری اسپین هر الکترونی همچون پرتاب یک سکه است که به طور تصادفی شیر یا خط ( بالا یا پایین) را نتیجه می‌دهد.

حال تصور کنید که دو فیزیکدان، مثلا آلن و جان، مجموعه‌ای از سکه‌ها را از طریق پست دریافت کنند. با رسیدن هر جفت از سکه‌ها هر دو فیزیکدان هم‌زمان آن‌ها را برمی‌گردانند؛ به عنوان مثال، ممکن است آلن شاهد دنباله‌ای از نتایج به شرح شیر، خط، خط، شیر و خط باشد و سکه‌های جان هم شیر، شیر، خط، خط، خط باشد. در چنین حالتی کاملا مشخص است که نتیجه‌ی پرتاب سکه‌های آلن و جان هیچ ربطی به یکدیگر ندارند.

اما اگر آلن و جان همین آزمایش را با یک سری الکترون‌های درهم‌تنیده به جای سکه‌ها تکرار کنند، نتیجه عجیبی به دست خواهد آمد. درواقع جالب است بدانید هر بار که آلن اسپین الکترونی را بالا اندازه‌گیری می‌کند، جان متوجه می‌شود که اسپین الکترون جفت‌شده‌ی او پایین است و بالعکس! درواقع کاملا واضح است دو عمل اندازه‌گیری به یکدیگر وابسته هستند، تقریباً مشابه با اینکه که گویی چرخاندن یک سکه می‌تواند سیگنالی به دیگری (هر چقدر هم دور) ارسال کند و بگوید که فوراً نتیجه‌ای متناسب با شریک دور خود را در لحظه ایجاد کند!

لازم است بدانید، این انیشتین بود که همراه با بوریس پودولسکی «Boris Podolsky» و ناتان روزن «Nathan Rosen» برای اولین بار درهم‌تنیدگی کوانتومی را در مقاله‌ای در سال ۱۹۳۵ که چندان هم مشهور نیست و اندکی هم بدنام است، معرفی کردند. در این مقاله انیشتین درهم‌تنیدگی را به طرز تحقیر‌آمیزی عملی شبح‌وار و از راه دور «spooky action at a distance» در نظر گرفت که پیامد اجتناب‌ناپذیر نظریه نوپای مکانیک کوانتومی بود!

از نظر انیشتین درهم‌تنیدگی حکم ناقوس مرگ مکانیک کوانتومی را داشت! او فکر می‌کرد که هیچ اندازه‌گیری‌ نباید فوراً بر اندازه‌گیری‌ دیگری در مکانی دیگر تأثیرگذار باشد و اگر این اتفاق بیافتد نقض آشکار نسبیت خاص است!

از نظر اینشتین درهم‌تنیدگی حکم ناقوس مرگ مکانیک کوانتومی را داشت، چراکه به نظر می‌رسید اطلاعات می‌توانند سریع‌تر از سرعت نور حرکت کنند و این نقضی آشکار برای نسبیت خاص اینشتین به شمار می‌رفت. درواقع هیچ اندازه‌گیری‌ای بر روی یک الکترون نباید فوراً بر اندازه‌گیری‌ دیگری در مکان‌های دور تأثیرگذار باشد. اما بر خلاف تصور اینشتین و دوستان دانشمندش، مقاله آن‌ها به جای متزلزل کردن پایه‌های مکانیک کوانتومی، اساس یک بازنگری کامل از واقعیت شد و دریچه‌ای به سوی زمینه‌ای جدید از تحقیقات را باز کرد.

آزمایش ذهنی بل

در دهه ۱۹۳۰ فیزیکدانانی همچون بور، شرودینگر و دیگر پیشگامان مکانیک کوانتومی به دنبال تئوری‌ای بودند که آزمایش‌های انجام‌شده با اتم‌ها و ذرات زیراتمی را دقیق‌تر از هر نظریه‌ی دیگری توصیف کند. در همین راستا، انیشتین اعتقاد داشت که مکانیک کوانتومی تنها یک راه از میان راه‌های مختلف برای رسیدن به تصویر کامل‌تری از فیزیک است که باید از نظر فلسفی با فیزیک کلاسیک همسو باشد.

آلبرت به بحث دو الکترون درهم‌تنیده که اسپین‌های متضادی را به نمایش می‌گذارند، مشکوک بود، زیرا از نظر او برخی متغیرهای پنهان «hidden variable» عاملی برای شکل‌گیری چنین آرایشی از اسپین‌ها در الکترون‌های درهم‌تنیده هستند. به عبارت دیگر، آنچه در مکانیک کوانتومی به عنوان نتیجه‌ای تصادفی از اندازه‌گیری‌ها به نظر می‌رسید، درواقع ناشی از برخی توصیف‌های قطعی است که شناخته نشده باقی مانده‌اند و ارتباطی شبح‌وار، بین ذرات ایجاد می‌کنند. با توجه به طرح این دیدگاه در سال ۱۹۶۴، جان استوارت بل آزمایشی را پیشنهاد کرد که می‌توانست این بحث را حل کند.

ایده کلی این آزمایش فکری این بود که اگر دو فیزیکدان اسپین ذرات درهم‌تنیده را در امتداد محورهای مختلفی اندازه‌گیری کنند، نه فقط اسپین‌ بالا و پایین، بلکه گاهی به‌طور تصادفی، اسپین ذرات را چپ و راست یا در جهت‌های دیگر تشخیص خواهند داد. با توجه به این آزمایش ذهنی، اگر حق با انیشتین بود و ذرات به طور مخفیانه دارای اسپین‌های از پیش تعیین شده‌ای بودند، در این صورت عمل تغییر محور اندازه‌گیری نباید تأثیری بر نتیجه داشته باشد! در کنار آن، محاسبات بل نشان می‌داد که اگر جهانِ پیروی مکانیک کوانتومی و درهم‌تنیدگی، آن‌قدر که به نظر می‌رسد عجیب و شبح‌وار باشد، تغییر محور بیش از آنچه در نظریه‌های کلاسیکی (مانند نسبیت دیده می‌شود)، می‌تواند منجر به اندازه‌گیری‌های اسپین به شکل همبسته شود.

فیزیکدانان و اندازه‌گیری درهم‌تنیدگی کوانتومی

جان کلاوسر، از آزمایشگاه ملی لارنس برکلی و دانشگاه کالیفرنیا و استوارت فریدمن، دانشجوی کارشناسی ارشد، جزو اولین کسانی بودند که آزمایش بل را از تئوری به بوته‌ی آزمایشگاه بردند. در طی این تحقیقات کلاوسر متوجه شد که این آزمایش در صورتی امکان‌پذیرتر خواهد بود که شامل فوتون‌های قطبیده‌ی نور (نه الکترون‌ها) شود. جالب است بدانید که همچون پارامتر جهت اسپین در الکترون، قطبش فوتون هم می‌تواند یکی از دو مقدار را نسبت به جهت فیلتر شدن به خود بگیرد. به عنوان مثال عینک‌های آفتابی پلاریزه، این قابلیت را دارند که فوتون‌های قطبیده شده در یک جهت را مسدود و فوتون‌های قطبیده شده در جهتی دیگری را عبور دهند.

در ابتدا، فیزیکدانانی از جمله ریچارد فاینمن با این استدلال که مکانیک کوانتومی به اثبات تجربی بیشتری نیاز ندارد، سعی کردند که کلاوسر را از پیگیری و بررسی بیشتر آزمایش بل منصرف کنند، اما خود بل شخصاً کلوسر را تشویق کرد تا تحقیقات را به پایان برساند. تا اینکه نهایتا در سال ۱۹۷۲ کلاوسر و فریدمن موفق شدند آزمایش بل را محقق کنند. در این آزمایش جفت فوتون‌های درهم‌تنیده‌ای تولید و از عدسی‌هایی به منظور اندازه‌گیری جهت قطبش آن‌ها استفاده شد.

از آنجایی که کلاوسر مطمئن نبود که به چه چیزی دست پیدا خواهد کرد ۲ دلار شرط‌بندی کرد که آزمایش او حقانیت حرف‌های اینشتین را ثابت خواهد کرد. اما در کمال تعجب مشاهده شد که، نتایج او پیش‌بینی بل را نسبت به انیشتین تأیید کرد، چراکه حالات فوتون‌ها به گونه‌ای همبسته بود که مانع از هرگونه متغیرهای پنهانِ انیشتین می‌شد. اگرچه کلوسر شرط دو دلاری را باخت، اما پیروزی بزرگی برای مکانیک کوانتومی به واسطه‌ی تلاش‌های بسیار او و همکارانش رقم خورد.
او سال‌ها بعد در مصاحبه‌ای گفت:
«راستش از اینکه آزمایش من نشان داد که اینشتین اشتباه می‌کرد، بسیار ناراحت شدم!»

اما شواهد کلوسر همچنان بر پایه‌های بسیار محکمی قرار نداشت! چراکه او از عدسی‌هایی با جهت‌گیری‌های ثابت استفاده کرده بود که فضا را برای ورود شکاف یا لوپ‌هول به آزمایش مهیا می‌کرد. درواقع لوپ‌هول قضیه در این بود که اگر یک متغیر پنهان، قطبش فوتون‌ها را به نحوی که به موقعیت عدسی‌ها وابسته باشد، تراز می‌کرد، حرف انیشتین تایید می‌شد!

با توجه به همین داستان هم آلن اسپه وارد ماجرا شد و مجموعه‌ای از آزمایش‌های سخت‌گیرانه‌تر را در پاریس انجام داد که در سال ۱۹۸۲ به آزمایشی پیچیده ختم شد. در آزمایش اسپه، جهت عدسی‌ها به‌طور تصادفی در هر میلیاردم ثانیه‌ (زمانی که فوتون‌ها صرف پرواز از منبع به عدسی)، تغییر می‌کرد. طبیعتا چنین مکانیسمی پیکربندی اولیه عدسی را تغییر می‌داد و نشانی از این بود که موقعیت عدسی‌ها هیچ تأثیری بر هیچ فرآیند مخفی‌ای در تنظیم پلاریزاسیون، در لحظه انتشار فوتون‌ها ندارد؛ بنابراین یک بار دیگر، این آزمایش به نفع بل و مکانیک کوانتومی تمام شد.

البته باز هم ریزبینانه‌ترین چالش‌ها همچنان پایشان وسط بود (فیزیکدانان خیلی خیلی سخت‌گیر هستند!)! یکی از این موارد این بود که آیا وجود یک فرآیند مخفی و غیر تصادفی که به نوعی در ابتدای آزمایش تنظیم شده، می‌تواند نحوه‌ی تغییر موقعیت عدسی‌ها را تعیین کند؟ برای پاسخ به این سوال آنتون زایلینگر در آزمایشی در سال ۲۰۱۷، تیمی را رهبری کرد که طی تحقیقات از رنگ فوتون‌های ساطع شده از ستاره‌های دوردست در صدها سال پیش برای تعیین تنظیمات آزمایش خود استفاده کردند. در این صورت اگر توطئه‌ای کیهانی، عامل توهم درهم‌تنیدگی است، باید قرن‌ها قبل از تولد آزمایشگران شروع شده باشد!

درهم‌تنیدگی به چه دردی می‌خورد؟

نزدیک به ۹۰ سال از زمانی که انیشتین تلاش می‌کرد که مکانیک کوانتومی را با برجسته کردن پوچ بودن پدیده‌ای همچون درهم‌تنیدگی از بین ببرد، می‌گذرد و این پدیده امروزه چیزی بسیار بیشتر از خوراک بحث‌های فلسفی شده است. درواقع درهم‌تنیدگی کوانتومی این روزها زمینه‌ی پررونق علم اطلاعات کوانتومی را هدایت می‌کند. در همین راستا فیزیک‌دان‌ها متوجه شده‌اند که جفت‌های درهم‌تنیده، می‌توانند به عنوان منبع کوانتومی خاصی برای دستیابی به چیزهای جدید و شگفت‌انگیز استفاده شوند.

با توجه به آنچه گفته شد، زایلینگر یکی از شخصیت‌های محوری‌ای بود که تلاش برای ارائه‌ی معجزات فناوری با استفاده از درهم‌تنیدگی کوانتومی را رهبری می‌کرد. در سال ۱۹۹۷، او و همکارانش اولین کسانی بودند که موفق به انجام شاهکاری به نام دورنگاری کوانتومی «quantum teleportation» شدند که از یک پروتکل دقیق اندازه‌گیری بر روی ذرات درهم‌تنیده برای انتقال جهت قطبش یک ذره به ذره دیگر (بدون اینکه جهت قطبش را از قبل بدانند!) استفاده کردند.

البته طبق گفته‌ی خود زایلینگر استفاده از دورنگاری کوانتومی فعلا همچون فیلم‌های پیشتازان فضا یا هر چیز دیگری نیست که یک شخص را از جایی به جای دیگر منتقل کنید؛ بلکه نکته‌ی تحقق این آزمایش این است که با استفاده از درهم‌تنیدگی، می‌توانید تمام اطلاعاتی را که توسط یک شی حمل می‌شود را به مکان دیگری منتقل کنید!