تکنولوژی
سیستم‌های کوانتومی همیشه برخی از اسرار را خواهند داشت، آزمایش فوتون آشکار کرد
فیزیک‌دانان سوئدی تأیید کردند که دوگانگی فوتون‌ها تحت تأثیر عدم قطعیت آنتروپی است. این پژوهش نشان می‌دهد که فوتون‌ها بخشی از اطلاعات خود را همیشه ناشناخته نگه می‌دارند. از آزمایش دوجهی ۱۸۰۱ توماس یانگ تا اثبات اثر فوتوالکتریک آلبرت انیشتین در ۱۹۰۵، مطالعه اخیر ارتباطی بین اصل تکامل و درجه‌ای از اطلاعات ناشناخته ایجاد کرده است که می‌تواند کاربردهایی در محاسبات کوانتومی و رمزنگاری داشته باشد.
در سال ۱۹۲۰، فیزیکدان دانمارکی نیلز بور پیشنهاد کرد که اگرچه نور (فوتون‌ها) دارای طبیعت دوگانه است و به عنوان یک ذره و یک موج رفتار می‌کند، اما مشاهده این دوگانگی به صورت همزمان غیرممکن است. این اصل به نام اصل تکامل‌پذیری شناخته می‌شود.
در سال ۲۰۱۴، دانشمندان در سنگاپور نشان دادند که این دوگانگی با عدم قطعیت آنتروپیک مرتبط است، به این معنی که برخی اطلاعات مربوط به فوتون‌ها، مانند اینکه آیا موج است یا ذره، همیشه ناشناخته باقی می‌ماند و حداقل یک بیت از اطلاعات به طور بنیادی غیرقابل اندازه گیری است.
عدم قطعیت آنتروپیک اصل تکامل‌پذیری را با درجه اطلاعات ناشناخته در یک سیستم کوانتومی مرتبط می‌کند. اینجا درجه اطلاعات ناشناخته به محدودیت ذاتی در مورد مقداری که می‌توانیم در یک زمان مشخص از یک سیستم کوانتومی بدانیم، اشاره دارد. این موضوع نشان می‌دهد که سیستم‌های کوانتومی همیشه سطحی از عدم پیش‌بینی یا رمز و راز را حفظ می‌کنند.
با این حال، تا کنون، این همه یک نظریه بود. پژوهشگران از دانشگاه لینکوسپینگ سوئد به صورت تجربی تأیید کرده‌اند که دوگانگی فوتون‌ها واقعاً تحت تأثیر عدم قطعیت آنتروپیک قرار دارد.
در مطالعه جدید خود، پژوهشگران می‌گویند که فوتون‌ها در حرکت دایره‌ای احتمال بیشتری دارند که اطلاعات را فاش کنند در مقایسه با حرکت‌های نوسانی بالا و پایین. بنابراین، در طول آزمایش خود، آنها فوتون‌هایی که در حرکت دایره‌ای حرکت می‌کردند را به یک تداخل‌سنجی وارد کردند.
تداخل‌سنج دستگاهی است که یک پرتو نور را به دو مسیر تقسیم می‌کند، آنها را از مسیرهای مختلف به سفر می‌فرستد و سپس آنها را به هم می‌پیوندد. این مانند دو خودرو است که از مسیرهای مختلف سفر می‌کنند تا در یک نقطه به هم برسند.
داخل تداخل‌سنج، فوتون‌ها ابتدا از کریستالی عبور کردند که به عنوان اولین جداکننده پرتو عمل می‌کرد و مسیر فوتون‌ها را به دو جهت مجزا تقسیم می‌کرد. این دو مسیر منعکس شده و در یک جداکننده پرتو دیگر به هم وصل می‌شوند.
بسته به اینکه این جداکننده پرتو دوم چگونه تنظیم شده است، فوتون‌ها به عنوان موج یا ذره اندازه‌گیری می‌شوند. با این حال، نویسندگان مطالعه کار هوشمندانه‌ای با چیدمان خود انجام دادند و سعی کردند تا طبیعت دوگانه فوتون‌ها را اندازه‌گیری کنند.
"یکی از چیزهایی که این آزمایش را خاص می‌کند این است که جداکننده پرتو دوم می‌تواند به طور جزئی توسط پژوهشگران در مسیر نور قرار داده شود. این امکان را فراهم می‌کند که نور به عنوان موج، ذره، یا ترکیبی از آنها در همان چیدمان اندازه‌گیری شود," نویسندگان مطالعه توضیح می‌دهند.
با این حال، فوتون‌ها از آنها هوشمند‌تر عمل کردند. قرارگیری جزئی به آنها اجازه داد که هم رفتار موج و هم رفتار ذره را به طور همزمان ببینند، اما تنها به صورت جزئی. هر چه آنها تلاش کردند تا یکی (موج) را بیشتر اندازه‌گیری کنند، دیگر (ذره) کمتر واضح می‌شد.
این آزمایش نشان می‌دهد که، به هر اندازه که تلاش کنید، نمی‌توانید به صورت کامل طبیعت دوگانه فوتون‌ها را در یک سیستم کوانتومی مشاهده کنید. برخی اطلاعات همیشه نامعلوم باقی می‌ماند که این نیز ایده اصلی عدم قطعیت آنتروپیک است.
ماهیت موجی نور برای اولین بار به صورت تجربی توسط توماس یانگ از انگلستان در آزمایش دوجهی معروفش در سال ۱۸۰۱ نشان داده شد. یک قرن بعد، در سال ۱۹۰۵، آلبرت انیشتین اثر فوتوالکتریک را پیشنهاد کرد که تایید کرد نور از ذرات کوچکی به نام فوتون تشکیل شده است.
از آن زمان، چندین مطالعه و آزمایش برای درک این دوگانگی و جنبه‌های مختلف آن انجام شده است.
با این حال، مطالعه حاضر متفاوت است زیرا نه تنها ارتباطی بین اصل تکامل‌پذیری و درجه‌ای از اطلاعات ناشناخته را نشان می‌دهد، بلکه تئوری کوانتوم را با نظریه اطلاعات متصل می‌کند.
این رفتار انرژی (فوتون‌ها) را در مقیاس کوانتومی توضیح می‌دهد و پژوهشگران پیشنهاد می‌دهند که با استفاده از بینش‌های حاصل از مطالعه خود، ممکن است راه‌های بهتری برای ذخیره، دستکاری و انتقال اطلاعات توسعه یابد، با کاربردهایی در محاسبات کوانتومی، رمزنگاری و ارتباطات.
به عنوان مثال، "در آزمایش بعدی خود می‌خواهیم رفتار فوتون را مشاهده کنیم اگر تنظیم کریستال دوم را درست قبل از رسیدن فوتون به آن تغییر دهیم," دانیل اسپگل-لکسن، نویسنده اول و دانشجوی دکتری در دانشگاه لینکوسپینگ، گفت.
"این نشان می‌دهد که می‌توان از این چیدمان تجربی در ارتباطات برای توزیع مطمئن کلیدهای رمزنگاری استفاده کرد که بسیار هیجان‌انگیز است."
مطالعه در ژورنال Science Advances منتشر شده است.
