نتیجه‌ی هر اندازه‌گیری‌ ممکن بر روی سیستم کوانتومی در تابع موج آن سیستم کدگذاری می‌شود. تاکنون تابع موج تنها با اندازه‌گیری‌های مختلف و بسیار زیاد بر روی سیستم موردنظر و حدس زدن بهترین جواب که مطابق با آن اندازه‌گیری‌ها باشد٬ قابل حصول بوده است. تنها دو سال پیش دانش‌مندان با ابداع فناوری جدیدی بنام اندازه‌گیری مستقیم کشف کردند که می‌توان به شکل قابل اتکایی تابع موج یک سیستم را با اندازه‌گیری «ضعیف» از یکی از متغیرهای آن سیستم (همچون مکان) و اندازه‌گیری «قوی» از یک متغیر مکمل دیگر تعیین کرد. اکنون اما پژوهش‌گران دانشگاه روچستر این روش را با گام روبه جلویی با ترکیب اندازه‌گیری مستقیم با یک فناوری محاسباتی کارآمد انجام داده‌اند.

این روش جدید که اندازه‌گیری مستقیم تراکمی نامیده می‌شود به تیم تحقیقاتی این اجازه را داده تا یک حالت کوانتومی را تا ۹۰ درصد با استفاده از تنها یک چهارم اندازه‌گیری‌های لازم برای روش‌های پیشین بازسازی کنند.

به گفته‌ی محمد میرحسینی دانشجوی کارشناسی ارشد در گروه پژوهشی فوتونیک کوانتومی در دانشگاه رچستر و نوینسده‌ی اصلی مقاله‌ای که اکنون در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز قرار دارد: «ما برای نخستین بار اندازه‌گیری‌های ضعیف و سنجش تراکمی (compressive sensing) را برای نشان دادن یک روش انقلابی و سریع برای اندازه‌گیری یک حالت کوانتومی با ابعاد زیاد ترکیب کرده‌ایم».

این تیم پژوهشی که دانشجویان تحصیلات تکمیلی دیگری همچون عمر ماگانا-لوئایزا (Omar Magaña-Loaiza) سید محمد هاشمی رفسنجانی و پروفسور رابرت بوید (Robert Boyd) در آن دخیل هستند ابتداعاً روش خود را بر روی یک حالت ۱۹۲ بُعدی آزموده‌اند. پس از آن‌که یافته‌ها بااین حالت کوانتومی بزرگ با موفقیت انجام شد٬ این گروه نگاهی به یک حالت ثقیل‌تر ۱۹۲۰۰ بُعدی داشته‌اند. فناوری کارآمد آن‌ها سرعت فرآیند را ۳۵۰ مرتبه افزایش داده درحالی‌که تنها ۲۰ درصد از کل اندازه‌گیری‌هایی که توسط اندازه‌گیری‌های مستقیم و سنتی برای بازسازی حالت موردنظر نیاز داشته را می‌طلبد.

به بیان سید محمد هاشمی: «برای بازتولید نتایج‌مان تنها با استفاده از اندازه‌گیری‌های مستقیم٬ نیازمند مدت‌زمان یک‌سال بودیم. ما این آزمایش را در کمتر از ۴۸ ساعت به انجام رسانده‌ایم.»

هرچند فناوری‌های سنجش تراکمی اخیر برای اندازه‌گیری مجموعه‌ای از متغیرهای مکمل همچون مکان و تکانه استفاده شده است٬ میرحسینی اذعان دارد که این روش به آن‌ها این اجازه را می‌دهد تا تابع موج کلی را اندازه بگیرند.

متراکم‌سازی به شکل گسترده‌ای در دنیای کلاسیکِ رسانه‌های دیجیتال که شامل موسیقی٬ ویدئو و تصاویر ضبط شده است٬ مورد استفاده قرار می‌گیرد. به عنوان مثال ام‌پی‌تری هایی که روی گوشی شما قرار دارند پوشه‌هایی صوتی‌اند که بیت‌هایی از اطلاعات را فشرده می‌کنند تا این پوشه را به قیمت از دست دادن یک مقدار کم کیفیتِ صوتی کوچک‌تر سازند.

در دوربین‌های دیجیتال هرچه پیکسل بیشتری از صحنه جمع‌آوری کنید٬ به همان اندازه کیفیت عکس افزایش یافته و پوشه‌ی مربوط به آن بزرگ‌تر خواهد شد. اما بسیاری از آن پیکسل‌ها حامل اطلاعات اساسی برای گرفتن عکس از صحنه نیستند. بسیاری از آن‌ها بعداً بازسازی می‌شوند. سنجش تراکمی از سرتاسر صحنه نمونه‌برداری اتفاقی انجام می‌دهد و از آن نمونه‌ها برای پرکردن اطلاعات از دست رفته استفاده می‌شود.

به طرز مشابهی درمورد حالات کوانتومی نیز٬ نیاز نیست تمامی تک‌بُعدهای یک حالت چندبعدی را اندازه گرفت. تنها تعداد انگشت‌شماری از اندازه‌گیری‌ها برای دست‌یافتن به تصویری با کیفیت بالا از یک سیستم کوانتومی نیاز است.

روشی که توسط میرحسینی و همکارانش معرفی شده پتانسیل‌های کاربردی زیادی در زمینه‌ی علم اطلاعات کوانتومی دارد. این زمینه‌ی پژوهشی می‌کوشد تا از اثرات کوانتومی بنیادی برای کاربردهای گوناکون استفاده کند. این کاربردها شامل ارتباطات ایمن٬ انتقال از راه دور (teleportation) و به شکل ایده‌آل انجام محاسبات کوانتومی است. این فرآیند آخری نوید روشی را می‌دهد که در اصل می‌تواند منجر به افزایش سرعت چشم‌گیر انواع معینی از محاسبات گردد. تمامی این کاربردها نیازمند استفاده از حالات کوانتومی پیچیده است و روش جدیدی که اینجا توصیف شد وسیله‌ی کارآمدی برای توصیف این حالات کوانتومی را پیشنهاد می‌دهد.

منبع:

New technique uses fraction of measurements to efficiently find quantum wave functions