تجربة ممحاة الكم

الممحاة الكمومية هي تجربة يتم فيها إرسال فوتونين متشابكين عبر جهاز، حيث يبدو أنه يوضح أن الجسيمات المتشابكة يمكنها إرسال المعلومات في الوقت المناسب.

ممحاة الكم

تم اختبار الممحاة الكمومية لأول مرة بواسطة (Yoon-Ho Kim)، وبشكل تقريبي فإنه في الممحاة الكمومية يتم إرسال فوتونين متشابكين عبر جهاز، الفوتون A إلى كاشف، والفوتون B عبر لسلة من المرايا ثنائية الاتجاه، حيث أن الفوتونات هي موجات لكنها يمكن أن تنهار إلى جزيئات، وفي الممحاة إذا سلك الفوتون B مسارًا معينًا بشكل عشوائي، فإنه يصبح جسيمًا في نهاية رحلته، وإذا سلك مسارًا آخر بشكل عشوائي، فإنه يظل موجة.

إذا تم ذلك مرارًا وتكرارًا، وأخذت جميع الفوتونات A التي كانت متشابكة مع الفوتونات التي بقيت موجات، فسيتم رؤية تلك الفوتونات A وهي تضرب كاشفها كموجة فهي تخلق نمط تداخل، ومع ذلك فإن الفوتونات A المقترنة بفوتونات B التي أصبحت جسيمات ستضرب كاشفها كجسيم، وهذا ما يجب أن يحدث، حيث تتطلب ميكانيكا الكم أن يكون للجسيمات المقترنة نفس الخصائص.

يضرب كل فوتون A كاشفه قبل وقت طويل من انتهاء شريكه B من رحلته، حتى قبل أن يصل الفوتون B إلى أول مرآته ثنائية الاتجاه، فإن الفوتون A قد اصطدم بالفعل بكاشفه، ويبدو الأمر كما لو أن الفوتونات A تعرف المسار الذي سيسلكه شريكهم وكيف سينتهي بهم الأمر قبل أن يصلوا إلى هناك.

أو على الأقل في بعض تفسيرات ميكانيكا الكم، يبدو الأمر، كما لو أنه بمجرد انتهاء الفوتون B رحلته، فإنه يرسل إشارة إلى الوراء في الوقت المناسب للسماح لشريكه الفوتون A بمعرفة ما إذا كان يجب أن يكون موجة أو جسيمًا.

تجربة ممحاة كمية ذات الشقين

تستخدم هذه التجربة ظاهرة التداخل، الناتجة عن الضوء الساقط على شق مزدوج، وللتحقق من مبدأ ميكانيكا الكم للتكامل بين خصائص الموجة والجسيمات للضوء، وباستخدام حالة خاصة من الضوء، ابتكر وولبورن وزملاؤه نمط تداخل، وقاموا بقياس “أي اتجاه” الذي أدى إلى تدمير التداخل، ثم محو علامة “أي اتجاه”، مما أدى إلى عودة التداخل.

تعرض هذه التجربة بوضوح الطريقة التي تكون بها الطبيعة غير منطقية على مقياس الكم، وتوضح أن طرق التفكير القائم على التجارب اليومية في العالم الكلاسيكي غالبًا ما تكون غير كافية تمامًا لفهم العالم الكمي.

التشويش

أي موجة في الطبيعة قادرة على إحداث تداخل، ورياضياً توصف الموجة بسعة يمكن أن تكون موجبة أو سالبة، وعندما تتداخل موجتان مكانيًا، يمكن أن تضيف السعات وتطرح في مواقع مختلفة، مما يخلق نمطًا من القمم والقيعان، ويمكن ملاحظة ذلك في موجات الماء، ويسمع في ظاهرة الدقات التي تسببها الموجات الصوتية؛ الضوء أيضًا عبارة عن موجة، وعندما يسقط على شق مزدوج سينتج نمط من البقع الساطعة والداكنة،

الممحاة الكمومية من منظور الازدواجية والتشابك

رياضياً، لا يختلف الوصف الكمي عن وصف تداخل الموجة الكلاسيكي، ولا تتنبأ ميكانيكا الكم بالمسارات الدقيقة للجسيمات، حيث إنه يتنبأ باحتمالية تحرك الجسيم بطريقة أو بأخرى، وفي الحالة التي بصددها، يمتلك الفوتون الفردي فرصة بنسبة خمسين في المائة للمرور عبر الشق الأيسر وخمسين في المائة من فرصة المرور عبر الشق الأيمن.

ويتم وصف الجسيم رياضيًا من خلال اتساع الاحتمالية، كما هو الحال في الحالة الكلاسيكية، يمكن أن تكون موجبة أو سلبية، وهذه السعات الاحتمالية هي التي تتحد بشكل بناء ومدمّر لعمل نمط تداخل، حيث لا تخبر ميكانيكا الكم عن الشق الذي سيمر من خلاله الجسيم.

ازدواجية الجسيم الموجي هي ميزة غريبة في قلب ميكانيكا الكم، والتي تشير إلى السمات المزدوجة الحصرية للأجسام الكمومية مثل الموجة والجسيم، وتقدم الممحاة الكمية جانبًا غير بديهي لازدواجية الموجة والجسيم.

وفي هذا العمل، يتم توضيح أن الممحاة الكمية يمكن فهمها كميًا من حيث العلاقة الثنائية والتشابك التي تم تطويرها مؤخرًا، بعبارة أخرى، نظهر أن تجربة تشابك الموجة والجسيمات والتشابك تلتقط جميع فيزياء المحو الكمي، حيث أن محوًا جزئيًا يمكن التحكم فيه لمعلومات المسار الذي يمكن تحقيقه، مما يتيح الاسترداد الجزئي للتداخل الكمي ويوسع نطاق بروتوكولات الممحاة الكمومية التقليدية.

طريق المسار في تجربة الممحاة الكمومية

إذا لم تستطع ميكانيكا الكم أن تخبر في أي اتجاه سيذهب الفوتون، فربما يمكن رؤيته بوسائل أخرى، ويبدو من المعقول أن نفترض أن على الفوتون أن يختار شقًا واحدًا ليمر من خلاله، ويجب أن تكون ميكانيكا الكم غير كافية للتزويد بكل المعلومات المتاحة.

وهذا سؤال فكر فيه كثير من الناس بجدية، بما في ذلك ألبرت أينشتاين وريتشارد فاينمان وفيرنر هايزنبرغ، فلقد توصلوا إلى تجارب فكرية اقترحت قياس معلومات أي اتجاه لمسار الجسيم في طريقه للمساهمة في نمط التداخل، ومع ذلك فقد توصلوا إلى نتيجة محيرة إلى حد ما، وهي أنه لا يمكن مراقبة معلومات “أي طريق” ونمط التداخل في وقت واحد.

ويمكن للمرء أن يضبط قياسًا “لمشاهدة” الشق الذي يمر عبره الفوتون، ويمكن تحديد أن الفوتون مر عبر شق واحد دون الآخر، ومع ذلك، بمجرد إعداد هذا النوع من القياس، لن تنتج الفوتونات بشكل جماعي نمطًا لطيفًا من البقع الساطعة والمظلمة، ويمكن للمرء أن يتساءل، إذا كان هذا السلوك المحير ناتجًا فقط عن اضطراب بين كاشف “أي اتجاه” والفوتون.

قد يقوم الكاشف بتغيير شيء ما في الفوتون، مما يتسبب في انحرافه عن مساره إلى موضعه في نمط التداخل، والجواب كما توضح التجربة الموصوفة أن الأمر ليس كذلك، حيث يمكن تصميم كاشف “أي اتجاه” بحيث لا يزعج الفوتون بأي شكل من الأشكال ويتم ملاحظة نفس الظاهرة، ولا يمكن ملاحظة معلومات الاتجاه ونمط التداخل في نفس الوقت، وهذا مثال على مبدأ التكامل في ميكانيكا الكم.

تداخل مزدوج الشق في تجربة الممحاة الالكترونية

الفوتونات هي التي تخلق نمط التداخل، حيث ينتقلون عبر الشق المزدوج إلى الكاشف D _s، وتنتقل الفوتونات p مباشرة إلى الكاشف D _p، إذا قام D _p بتسجيل فوتون، فإنه يرسل “نقرة” إلى عداد الصدفة، حيث ينتظر العداد تسجيل شريك الفوتون المتشابك بواسطة D s، ومجرد اكتشاف هذه “النقرة” الثانية، يتم تسجيل العدد، حيث يتم حساب التهم لمدة 400 ثانية.

ثم كاشف د فيتم تحريكه بالملليمتر ويتم تسجيل عدد التهم في فترة 400 ثانية لموضع الكاشف الجديد، ويتكرر هذا حتى يتم مسح D s عبر منطقة مكافئة للشاشة في المخططات أعلاه.

محو الكم

لزيادة غرابة هذا السيناريو، فإن الخطوة التالية هي إعادة التداخل دون فعل أي شيء لحزمة s؛ يوضع المستقطب في الحزمة p، موجهًا بحيث يمرر الضوء الذي هو مزيج من x و y، ولم يعد من الممكن تحديد استقطاب s على وجه اليقين قبل ألواح الموجة الربعية.

وبالتالي لا يمكن معرفة الشق الذي مر به الفوتون، ولم تعد الفوتونات مرقمة، حيث تم محو إمكانية الحصول على معلومات عن أي طريق، تم تكرار قياسات المصادفة مع وجود المستقطب في مكانه، ويمكن رؤية ذلك من البيانات أن نمط التداخل قد عاد.

تجربة المحو الكمي هذه هي واحدة من تجارب عديدة يتم إجراؤها، حيث توفر طريقة لفهم الطبيعة الغريبة لميكانيكا الكم بشكل أفضل، فلقد تم مواجهة مفاهيم غريبة مثل التشابك واللامحلية، ربما تكون هذه مجرد بداية رحلة إلى فهم أعمق للكون والاكتشافات الجديدة.