درهم تنیدگی کوانتومی یکی از پدیده‌های عجیب و غریبی است که وقتی اشیاء در مقیاس خیلی کوچک بررسی می‌شوند یا در محدوده کوانتومی هستیم مشاهده می‌گردد. وقتی دو یا چند ذره به روش خاصی به هم متصل می‌شوند، مهم نیست که چقدر در فضا از هم فاصله دارند، حالات آنها به هم مرتبط می ماند.
این بدان معناست که آنها یک حالت کوانتومی مشترک و یکپارچه دارند. بنابراین مشاهدات یکی از ذرات می تواند به طور خودکار اطلاعاتی را در مورد ذرات درهم تنیده دیگر بدون توجه به فاصله بین آنها ارائه دهد. و هر گونه تأثیر بر یکی از این ذرات همواره بر سایرین در سیستم درهم تنیده تأثیر می گذارد. در ادامه مطلب علم کوانتوم چیست به بررسی این موضوع می‌پردازیم:
چه کسی درهم تنیدگی کوانتومی را کشف کرد؟
فیزیکدانان در دهه‌های ابتدایی قرن بیستم، ایده‌های بنیادی پشت درهم تنیدگی کوانتومی را در حین بررسی مکانیک جهان کوانتومی توسعه دادند. آنها دریافتند که برای توصیف درست سیستم های زیراتمی، باید از چیزی به نام حالت کوانتومی استفاده کنند.
در دنیای کوانتومی، هیچ چیز به طور قطعی شناخته نشده است. به عنوان مثال، شما هرگز نمی‌دانید که یک الکترون در یک اتم دقیقاً در کجا قرار دارد، فقط می توانید حدس بزنید که کجاست (آهنگ عزیزم کجایی؟).
حالت کوانتومی احتمال اندازه‌گیری خاصیت خاصی از یک ذره، مانند موقعیت یا تکانه زاویه‌ای آن را خلاصه می‌کند. بنابراین، برای مثال، وضعیت کوانتومی یک الکترون، احتمال یافتن الکترون را در تمام موقعیت های مکانی ممکن را مشخص می کند.
یکی دیگر از ویژگی های حالت های کوانتومی این است که می توانند با سایر حالت های کوانتومی همبستگی داشته باشند، به این معنی که اندازه گیری های یک حالت می تواند بر حالت دیگر تأثیر بگذارد.
| مطلب پیشنهادی :دوگانگی موج-ذره چیست؟ |
در مقاله ای در سال 1935، آلبرت انیشتین، بوریس پودولسکی و ناتان روزن بررسی کردند که چگونه حالت های کوانتومی همبسته
قوی با یکدیگر برهم کنش می کنند. آنها دریافتند که وقتی دو ذره به شدت همبستگی دارند، حالات کوانتومی خود را از دست می دهند و در عوض یک حالت واحد و یکپارچه را به اشتراک می گذارند.
راه دیگری برای فکر کردن در مورد آن این است که یک “ظرف” ریاضی می تواند همه ذرات را بدون توجه به خصوصیات فردی آنها به طور همزمان توصیف کند. این حالت یکپارچه به نام درهم تنیدگی کوانتومی شناخته می شود.
طبق دایره المعارف فلسفه استنفورد، آنها دریافتند که اگر دو ذره در هم تنیده شوند، به این معنی که حالات کوانتومی آنها شدیداً همبسته شده و یکپارچه شود، اندازه گیری یکی از ذرات به طور خودکار بر دیگری تأثیر می گذارد، مهم نیست که ذرات چقدر از یکدیگر دور باشند.
| مطلب پیشنهادی : برهم نهی کوانتومی به چه معناست؟ |
اولین فیزیکدانی که از کلمه “درهم تنیدگی” استفاده کرد، اروین شرودینگر، یکی از بنیانگذاران مکانیک کوانتومی بود. او درهم تنیدگی کوانتومی را ضروری ترین جنبه مکانیک کوانتومی توصیف کرد و گفت که وجود آن یک انحراف کامل از خطوط فکری کلاسیک است.
تناقض EPR چیست؟
همانطور که انیشتین، پودولسکی و روزن کشف کردند، درهم تنیدگی آنی به نظر می رسد: هنگامی که از یک حالت کوانتومی آگاهی داشته باشید، به طور خودکار حالت کوانتومی هر ذره درهم تنیده دیگری را می دانید. در اصل، شما می‌توانید دو ذره درهم‌تنیده را در انتهای مخالف کهکشان قرار دهید و همچنان این دانش آنی را داشته باشید، که به نظر می‌رسد این مورد محدودیت سرعت نور را نقض می‌کند.
| مطلب پیشنهادی : اصل عدم قطعیت چیست؟ |
به گفته انجمن فیزیک آمریکا، این نتیجه به عنوان پارادوکس EPR (مخفف انیشتین، پودولسکی و روزن) شناخته می شود – اثری که انیشتین آن را “عمل شبح وار از راه دور” نامید. او از پارادوکس به عنوان مدرکی برای ناقص بودن نظریه کوانتومی استفاده کرد. اما آزمایش‌ها مکرراً تأیید کرده‌اند که ذرات درهم‌تنیده بدون توجه به فاصله بر یکدیگر تأثیر می‌گذارند و مکانیک کوانتومی تا به امروز تأیید شده است.
هیچ راه حل پذیرفته شده ای برای پارادوکس وجود ندارد. با این حال، اگرچه سیستم‌های درهم‌تنیده موقعیت خود را حفظ نمی‌کنند (به این معنی که یک بخش از یک سیستم درهم‌تنیده می‌تواند فوراً بر ذره‌ای دور تأثیر بگذارد)، آنها به علیت احترام می‌گذارند، به این معنی که اثرات همیشه علت‌هایی دارند. یک ناظر در ذره دور نمی داند که آیا ناظر محلی سیستم درهم تنیده را مختل کرده است یا خیر، و بالعکس. آنها برای تایید باید اطلاعاتی را با یکدیگر مبادله کنند که سریعتر از سرعت نور نباشد.
به عبارت دیگر، محدودیت های تحمیل شده توسط سرعت نور هنوز در سیستم های درهم تنیده باقی می ماند. در حالی که ممکن است وضعیت یک ذره دور را بدانید، نمی توانید این اطلاعات را سریعتر از سرعت نور انتقال دهید.
چگونه درهم تنیدگی کوانتومی را ایجاد می‌کنید؟
راه های زیادی برای درهم تنیدگی ذرات وجود دارد. یکی از روش ها سرد کردن ذرات و قرار دادن آنها به اندازه کافی نزدیک به هم است تا حالت های کوانتومی آنها (که نشان دهنده عدم قطعیت در موقعیت است) روی هم قرار گیرند و تشخیص یک ذره از ذره دیگر غیرممکن شود.
راه دیگر تکیه بر برخی فرآیندهای زیراتمی مانند فروپاشی هسته ای است که به طور خودکار ذرات درهم تنیده را تولید می کند. به گفته ناسا، همچنین می‌توان جفت فوتون‌های درهم تنیده یا ذرات نور را با تقسیم یک فوتون و تولید یک جفت فوتون در این فرآیند یا با اختلاط جفت فوتون در یک کابل فیبر نوری ایجاد کرد.
کاربردهای درهم تنیدگی کوانتومی چیست؟
- رمزنگاری
شاید پرکاربردترین کاربرد درهم تنیدگی کوانتومی در رمزنگاری باشد. به گفته مجله Caltech، در این سناریو، یک فرستنده و یک گیرنده یک پیوند ارتباطی امن ایجاد می کنند که شامل جفت ذرات درهم تنیده است. فرستنده و گیرنده از ذرات درهم‌تنیده برای تولید کلیدهای خصوصی استفاده می‌کنند که فقط آنها می‌شناسند و می‌توانند از آن برای رمزگذاری پیام‌های خود استفاده کنند.
اگر کسی سیگنال را قطع کند و سعی کند کلیدهای خصوصی را بخواند، درهم تنیدگی شکسته می‌شود، زیرا اندازه گیری یک ذره در هم تنیده حالت آن را تغییر می دهد. این بدان معناست که فرستنده و گیرنده متوجه خواهند شد که ارتباطات آنها به خطر افتاده است.
- محاسبات کوانتومی
یکی دیگر از کاربردهای درهم تنیدگی، محاسبات کوانتومی است، که در آن تعداد زیادی ذرات در هم تنیده می‌شوند و در نتیجه به آنها اجازه می‌دهد تا برای حل برخی از مسائل بزرگ و پیچیده کار کنند. به عنوان مثال، یک کامپیوتر کوانتومی با تنها 10 کیوبیت (بیت کوانتومی) می تواند همان مقدار حافظه 10^2 بیت معمولی را نشان دهد.
درهم تنیدگی کوانتومی از راه دور چیست؟
بر خلاف استفاده معمول از کلمه “از راه دور”، کوانتوم از راه دور شامل حرکت یا ترجمه خود ذرات نیست. به گزارش نیچر نیوز، در عوض، در کوانتوم از راه دور، اطلاعات مربوط به یک حالت کوانتومی به فواصل بسیار دور منتقل می‌شود و در جای دیگری تکرار می‌شود.
برای درک موضوع بهتر است به کوانتوم از راه دور، به عنوان نسخه کوانتومی ارتباطات سنتی فکر کنیم.
ابتدا، یک فرستنده ذره ای را آماده می کند تا حاوی اطلاعاتی باشد (یعنی حالت کوانتومی) که می‌خواهد منتقل کند. سپس، آنها این حالت کوانتومی را با یکی از یک جفت ذرات درهم تنیده ترکیب می کنند. این باعث تغییر متناظر در جفت درهم‌تنیده دیگر می‌شود که می‌تواند در فاصله دلخواه خود قرار بگیرد.
سپس گیرنده تغییر در شریک درگیر جفت را ثبت می کند. در نهایت، فرستنده باید از طریق کانال‌های معمولی (یعنی محدود به سرعت نور)، تغییر اصلی ایجاد شده را به جفت درهم‌تنیده منتقل کند. این به گیرنده اجازه می دهد تا حالت کوانتومی را در مکان جدید بازسازی کند.
این ممکن است به نظر کار زیادی برای انتقال یک مجموعه اطلاعات بد به نظر برسد، اما انتقال از راه دور کوانتومی ارتباط کاملاً ایمن را امکان پذیر می کند. اگر یک استراق سمع سیگنال را رهگیری کند، درهم تنیدگی را می شکند، که زمانی آشکار می شود که گیرنده سیگنال سنتی را با تغییرات ایجاد شده در جفت درهم تنیده شده مقایسه کند.
منبع : livescience
