فیزیک‌دانان هولوگرام های کوانتومی را برای نخستین بار ایجاد کردند

MacTavish · 10/9/19

برای اولین بار فیزیک‌دانان موفق شدند هولوگرام های کوانتومی را توسط فوتون‌ها ایجاد کنند. تا همین اواخر دانشمندان امکان ایجاد آن را به علت موانعی که فیزیک بنیادی بر سر راه آنها قرار می‌داد، غیرممکن می‌دانستند. سرانجام آنها موفق شدند که از ذره‌ی منفرد نور، یک هولوگرام ایجاد کنند. این کار توسط دانشمندان کنجکاو اهل ورشو، انجام گرفته است.

کار ارزشمند این دانشمندان ما را وارد عصر جدیدی در زمینه‌ی فیزیک کوانتوم و کاربردهای آن در دنیایی واقعی، می‌کند. این کشف به دانشمندان برای بررسی پدیده‌های کوانتومی، یک نگرش تازه‌ای خواهد داد.

به برخورد دو موج و تشکیل یک موج جدید، تداخل کلاسیک می‌گویند. با استفاده از هولوگرام برخلاف عکاسی ما می‌توانیم ساختار فضایی اشیا را بازسازی و شکل سه‌بعدی آنها را به دست آوریم. تداخل کلاسیک می‌تواند این تکنیک را به‌صورت عملی انجام دهد. باید در نظر گرفت که امکان وقوع پدیده‌ی تداخل کلاسیک در فوتون‌ها وجود ندارد، چراکه فازهای امواج به‌صورت متداوم در حال نوسان‌اند. به همین جهت فیزیک‌دانان روش خود را برای ایجاد هولوگرام کوانتومی، با استفاده از تداخل توابع موجی، امتحان کردند. این توابع در میزان احتمال قرار داشتن یک ذره در حالت خاص، تعیین‌کننده هستند.

تابع موج الکترون و یا هر ذره اتمی به تنهایی بیان کننده چیزی نیست و مفهومی ندارد. به علت اصل عدم قطعیت به‌طور دقیق نمی‌توان مکان الکترون، انرژی و… را مشخص کرد. در مکانیک کوانتومی تنها می‌توان از احتمال یک پدیده صحبت کرد. تابع موج از مفاهیم اساسی در مکانیک کوانتومی است و به‌عنوان هسته‌ی مرکزی آن یعنی شرودینگر، به‌حساب می‌آید. از تابع موج می‌توان به‌عنوان مدل یک سیستم ذره‌ی کوانتوم استفاده کرد.

چرا فوتون‌ها؟

رادوسلاو کراپکوییز «Radoslaw Chrapkiewicz» و مایکل‌ جاچورا «Michal Jachura» دو پژوهشگر ورشوی، هنگامی که از یک جفت فوتون فیلم‌برداری می‌کردند با پدیده‌ای به نام تداخل دو‌فوتونی مواجه شدند. در این تداخل، جفت فوتون‌های قابل تشخیص، در لحظه‌ی ورود به یک شکاف‌دهنده‌ی پرتو (شعاعی از نور مستقیم) وارد واکنش با یکدیگر می‌شدند؛ اما فوتون‌هایی که غیر قابل تشخیص بودند پدیده‌ی تداخل کوانتومی در آنها اتفاق می‌افتاد که بر رفتار آنها تاثیر می‌گذاشت. همواره جفت فوتون‌ها یا با همدیگر منتقل می‌شوند و یا اینکه با هم بازتاب می‌یابند. کراپکوییز در این‌باره می‌گوید:

بعد از انجام این آزمایش برای ما جای سوال بود که آیا تداخل کوانتومی که توسط دو فوتون صورت می‌گیرید، نیز می‌تواند برای ایجاد تداخل کلاسیک در هولوگرافی، به منظور استفاده از فوتون‌های شناخته شده برای دستیابی به اطلاعات بیشتر به فوتون‌های ناشناخته کاربرد داشته باشند یا نه؟

نتایج بررسی‌ها شگفت آور بود، هنگامی که تداخل کوانتومی بین دو فوتون صورت می‌گیرد، شکل جبهه‌ی موج آنها تعیین کننده‌ی فرآیند تداخل خواهد بود. جبهه‌ی موج، یک سطح فرضی است که باعث پیوند تمامی نقاط هم‌فاز مجاور در موج، می‌شود.

هولوگرام و درک مکانیک کوانتوم

این آزمایش به ما کمک می‌کند که قوانین اصلی مکانیک کوانتوم را بهتر در‌یابیم. مکانیک کوانتوم سال‌هاست که ذهن دانشمندان را درگیر کرده است. این کشف به دانشمندان امکان دستیابی درباره‌ی حالت (فاز) توابع موجی فوتون‌ها خواهد داد. جاچورا در این مورد می‌گوید: «این آزمایش یکی از اولین آزمایش‌هایی است که ما به کمک آن می‌توانیم درباره‌ی داده‌های حالت (فار) توابع موجی فوتون‌ها اطلاعاتی ارزشمند کسب کنیم».

توصیف مکانیک کوانتومی از رفتار سامانه‌های فیزیکی اهمیت زیادی دارد و بسیاری از شاخه‌های دیگر فیزیک و شیمی از مکانیک کوانتومی به‌عنوان چهارچوب خود استفاده می‌کنند؛ مانند فیزیک ماده چگال، فیزیک حالت جامد، فیزیک اتمی، فیزیک مولکولی، شیمی محاسباتی، شیمی کوانتومی، فیزیک ذرات بنیادی و فیزیک هسته‌ای. مکانیک کوانتومی علاوه بر اینکه دنیای ذرات بسیار ریز را توصیف می‌کند، برای توضیح برخی از پدیده‌های بزرگ‌مقیاس (ماکروسکوپیک) هم کاربرد دارد، مانند ابررسانایی و ابرشاره. همچنین کاربردهای وسیعی در حوزه فناوری‌های کاربردی، بر مفاهیم و دستاوردهای مکانیک کوانتومی استوار هستند.

محققان امیدوارند تا بتوانند از این روش برای ایجاد هولوگرام اشیا کوانتومی پیچیده‌تر استفاده کنند؛ درآینده این روند می‌تواند در علوم پایه نیز کاربرد داشته باشد.