گروهی از فیزیکدانان در دانشگاه اوپسالا واقع در کشور سوئد، دست به ابتکاری شگرف زده و روشی کاملا نوآورانه برای سنجش زمان در مقیاس کوانتومی و غیرقابل پیش‌بینی ذرات کوانتومی ارائه داده‌اند. این دستاورد مهم که نتایج آن در یک مطالعه در سال ۲۰۲۲ منتشر شده است، می‌تواند تحولی بنیادین در نحوه درک و سنجش زمان در سطوح زیراتمی ایجاد کند.
پرجنب‌وجوش کوانتومی، به‌ویژه الکترون‌ها، وارد می‌شویم، پیش‌بینی وضعیت گذشته آن‌ها همواره امکان‌پذیر نیست. از این دشوارتر، تعیین دقیق وضعیت حال آن‌ها اغلب در هاله‌ای از ابهام کوانتومی فرو می‌رود. در چنین سناریوهایی، استفاده از یک کرونومتر سنتی عملا غیرممکن می‌شود.
در دنیای بزرگ و قابل دیدن ما، فهمیدن گذر زمان خیلی ساده است. ما ثانیه‌ها را با ساعت و چیزهایی مثل آونگ می‌شماریم تا بفهمیم چقدر زمان گذشته است. اما وقتی به دنیای خیلی کوچک ذرات کوانتومی، مخصوصا الکترون‌ها، می‌رویم، دیگر نمی‌توانیم همیشه بگوییم قبلا کجا بودند. حتی سخت‌تر از آن، خیلی وقت‌ها نمی‌توانیم دقیقا بگوییم الان کجا هستند چون در هاله‌ای از ابهام کوانتومی قرار دارند. در این شرایط، استفاده از یک زمان‌سنج معمولی تقریبا غیرممکن می‌شود.
با این حال، پژوهشگران دانشگاه اوپسالا با تمرکز بر ماهیت موج‌گونه پدیده‌ای به نام حالت ریدبرگ (Rydberg state)، راهکاری بالقوه و بدیع برای این چالش یافته‌اند. آزمایش‌های آن‌ها نشان داده است که می‌توان از این ویژگی برای اندازه‌گیری زمان بدون نیاز به یک نقطه شروع دقیق استفاده کرد.
روند جدید و بزرگ سنجش زمان در مقیاس کوانتومی
اتم‌های ریدبرگ را می‌توان به مثابه بالن‌های بسیار بزرگ شده در دنیای ذرات تصور کرد. این اتم‌ها که به جای هوا با لیزر باد شده‌اند، حاوی الکترون‌هایی در سطوح انرژی بسیار بالا هستند که در مدارهای دور از هسته به گردش در می‌آیند.
شایان ذکر است که برای دستیابی به این حالت، نیازی به استفاده از لیزرهایی با قدرت خارق‌العاده نیست. در واقع، از لیزرها به طور معمول برای تحریک الکترون‌ها به سطوح انرژی بالاتر در کاربردهای مختلف علمی و فناوری استفاده می‌شود.
در برخی از این کاربردها، می‌توان از یک لیزر ثانویه برای نظارت بر تغییرات موقعیت الکترون، از جمله گذر زمان، بهره برد. به عنوان مثال، از این تکنیک‌های موسوم به pump probe می‌توان برای اندازه‌گیری سرعت عمل برخی از قطعات الکترونیکی فوق‌سریع استفاده کرد.
القای اتم‌ها به حالت‌های ریدبرگ ترفندی ارزشمند برای مهندسان، به ویژه در زمینه طراحی اجزای جدید برای رایانه‌های کوانتومی محسوب می‌شود. بدیهی است که فیزیکدانان تاکنون اطلاعات قابل توجهی در مورد نحوه حرکت الکترون‌ها هنگام رسیدن به حالت ریدبرگ جمع‌آوری کرده‌اند.
با این وجود، از آنجایی که الکترون‌ها ماهیت کوانتومی دارند، حرکات آن‌ها کمتر شبیه مهره‌هایی است که روی یک چرتکه کوچک می‌لغزند و بیشتر تداعی‌کننده گردشی پرآشوب بر روی میز رولت است، جایی که هر چرخش و پرش توپ در دل یک بازی شانسی فشرده رخ می‌دهد.
قوانین ریاضی حاکم بر این رفتار نامنظم الکترون‌های ریدبرگ تحت عنوان بسته موج ریدبرگ (Rydberg wave packet) شناخته می‌شود. همانند امواج واقعی، هنگامی که بیش از یک بسته موج ریدبرگ در یک فضا منتشر می‌شود، پدیده تداخل رخ می‌دهد و الگوهای منحصر به فردی از امواج ایجاد می‌گردد.
اگر تعداد کافی از بسته‌های موج ریدبرگ در یک محیط اتمی ایجاد شود، این الگوهای تداخلی منحصر به فرد هر کدام نشان‌دهنده یک بازه زمانی مشخص خواهند بود که طول می‌کشد تا بسته‌های موج با یکدیگر تکامل یابند.
این دقیقا همان اثر انگشت زمانی بود که فیزیکدانان در پس این مجموعه آزمایش‌ها به دنبال آن بودند و نشان دادند که این الگوها به اندازه‌ای پایدار و قابل اعتماد هستند که می‌توانند به عنوان نوعی مهر زمانی کوانتومی عمل کنند.
تحقیقات آن‌ها شامل اندازه‌گیری نتایج حاصل از اتم‌های هلیوم تحریک‌شده با لیزر و تطبیق یافته‌های تجربی با پیش‌بینی‌های نظری بود تا نشان دهند که چگونه این الگوهای منحصر به فرد می‌توانند برای مدت زمان طولانی حفظ شوند.
مارتا برهولتز، فیزیکدان دانشگاه اوپسالا و سرپرست این تیم تحقیقاتی، در سال ۲۰۲۲ به نشریه نیوساینتیست توضیح داد:
«اگر از یک شمارنده استفاده می‌کنید، باید نقطه صفر را تعریف کنید. شما از یک نقطه مشخص شروع به شمارش می‌کنید.»
وی افزود:
«مزیت روش ما این است که شما نیازی به شروع زمان‌سنجی ندارید شما فقط به ساختار تداخلی نگاه می‌کنید و می‌گویید خب، ۴ نانوثانیه گذشته است.»
به گفته محققان، می‌توان از یک کتاب راهنمای الگوهای تداخلی بسته‌های موج ریدبرگ در حال تکامل، در ترکیب با سایر روش‌های طیف‌سنجی پمپ کاوشگر استفاده کرد. این امر به ویژه در اندازه‌گیری رویدادهایی در مقیاس بسیار کوچک که تشخیص زمان وقوع آن‌ها دشوار یا اندازه‌گیری آن‌ها بسیار پیچیده است، کاربرد خواهد داشت.
نکته حائز اهمیت این است که هیچ‌یک از این اثر انگشت‌های زمانی نیازی به تعیین لحظه شروع و پایان به عنوان نقاط مرجع ندارند. این امر مشابه اندازه‌گیری سرعت یک دونده ناشناخته در مقابل تعدادی از رقبایی است که با سرعت‌های مشخص در حال دویدن هستند.
تکنسین‌ها با جستجوی الگوی تداخلی حالت‌های ریدبرگ در میان نمونه‌ای از اتم‌های کاوشگر پمپ، قادر خواهند بود مهر زمانی رویدادهایی با سرعت شگفت‌انگیز ۱.۷ تریلیونم ثانیه را مشاهده کنند.
در آزمایش‌های آتی مربوط به ساعت‌های کوانتومی، محققان می‌توانند اتم هلیوم را با اتم‌های دیگر جایگزین کرده یا حتی از پالس‌های لیزری با انرژی‌های متفاوت استفاده کنند تا کتاب راهنمای مهرهای زمانی را برای سازگاری با طیف وسیع‌تری از شرایط گسترش دهند. این پژوهش پیشگامی در عرصه سنجش زمان در مقیاس کوانتومی محسوب شده و می‌تواند در توسعه فناوری‌های آینده نقش بسزایی ایفا کند.
__ تکنو دات مرجع اخبار تکنولوژی __
