در صدای بسیار کم، یک میکروفون نوری کوانتومی بهتر از دستگاه کلاسیک عمل می‌کند و انسان‌ها می‌توانند تفاوت آن دو را بشنوند.

بشنو و باور کن. هنگامی که صدا بسیار کم است، میکروفون کوانتومی در فهم گفتار از مزیت برخوردار است. محققان از میکروفون آزمون برای نمایش روشی استفاده کردند که می تواند در آزمایش هایی که اندازه گیری های حساس باید در فرکانس بالا انجام شود مفید باشد.

اغلب تبلیغ می شود که دستگاه های کوانتومی عملکرد بهتری نسبت به دستگاه های کلاسیک دارند، اما به نظر می رسد تاثیر آن از زندگی روزمره ما دور است. محققان اکنون یک میکروفون نوری ارائه کرده اند که شنوندگان می‌گویند صدای شفاف‌تری نسبت به همتای کلاسیک خود تولید می‌کند]1[. این میکروفون تحت شرایط خاصی (صدای کم و نوفه زیاد) آزمایش شده که خارج از آن مزیت کوانتومی قابل توجه نخواهد بود. علی‌رغم این محدودیت، تکنیک‌های کوانتومی جدید می‌توانند در جاهای دیگر مفید باشند: آنها در نهایت می‌توانند برای بهبود تصویربرداری از نمونه‌های زیستی استفاده شوند.

بسیاری از اندازه‌گیری‌های با دقت بالا، مانند تشخیص امواج گرانشی، بر تداخل‌سنج‌هایی تکیه دارند که اثرات تداخلی را اندازه‌گیری می‌کنند مثلا فریزهایی که هنگام فرستادن فوتون‌ها از دو مسیر ممکن به وجود می‌آیند. استفاده از جفت فوتون های درهم تنیده با مکانیک کوانتومی، نوسانات تصادفی (نوفه شلیکی shot noise) را در چنین اندازه گیری هایی کاهش داده و باعث افزایش حساسیت اندازه گیری ها می شود. با این حال، برخی از روش‌های متداول شامل اندازه‌گیری هر دو فوتون در یک جفت درهم تنیده می‌شود - یک فرآیند انتخاب آهسته که نرخ اندازه‌گیری را به 1 هرتز محدود می‌کند. اگر بخواهید از فوتونهای درهم تنیده برای دنبال کردن عملکرد سریع استفاده کنید، مانند مولکول های منفردی که در داخل یک سلول زیستی حرکت می کنند، این نرخ زیادی کند است.

فلوریان کایزر Florian Kaiser از دانشگاه اشتوتگارت آلمان و همکارانش به راهی برای افزایش 10هزار برابری سرعت اندازه‌گیری چنین آزمایش‌های اپتیکی کوانتومی دست یافته اند. در چیدمان آنها، نور لیزر ورودی ابتدا از درون یک کریستال غیرخطی می گذرد و جریانی از جفت فوتون های درهم تنیده را ایجاد می کند که سپس به دو مسیر (یا بازو) تداخل سنج آنها وارد می شود.

برای اجتناب از اندازه‌گیری هر دو فوتون در خروجی تداخل‌سنج، این گروه یک قطعه نوری به نام صفحه موج انتخابگرِ طول موج اضافه کرد که قطبش نور عبوری از یکی از بازوهای تداخل‌سنج را می‌چرخاند. به نظر می رسد که این دستکاری ساده اطلاعات دو فوتونی (فاز کوانتومی جفت) را فقط در یکی از فوتون ها رمزگذاری می کند.

هنگامی که اطلاعات به تک فوتون ها منتقل شود، اندازه گیری سیگنال تداخل آسان خواهد بود: فقط تفاوت شدت نور را در دو خروجی در نظر بگیرید - همان روشی که در تداخل سنجی کلاسیک وجود دارد. گروه نشان داد که آنها می توانند اندازه گیری سیگنال به نوفه تقویت شده کوانتومی را با نرخ نمونه برداری تا 100 کیلوهرتز به دست آورند. این فرکانس به اندازه کافی بالاست تا صدایی با کیفیت بالا تولید کند که به محققان این امکان را می دهد تا روش خود را در یک آزمایش ضبط صدا نشان دهند. کایزر می گوید " ما می‌خواستیم بررسی کنیم که آیا انسان‌ها واقعاً می‌توانند بهبود کوانتومی را بشنوند یا خیر؟".

شبکه سلولی. فناوری مورد استفاده در میکروفون کوانتومی در نهایت می‌تواند به آزمایش‌های بیولوژیکی، مانند ردیابی تک مولکولی از یک مولکول اتصال کروماتین برچسب‌دار فلوئورسنت در جنین گورخرماهی کمک کند.

محققان با اتصال یکی از آینه ها به غشایی که در پاسخ به امواج صوتی می لرزد، تداخل سنج خود را به یک میکروفون نوری تبدیل کردند. همانطور که آینه به جلو و عقب حرکت می کند، طول یکی از بازوهای تداخل سنج را تغییر می دهد و تغییرات قابل مشاهده در نوری که به آشکارسازها می رسد ایجاد می کند. این تیم از میکروفون در یک تست شنوایی استاندارد استفاده کردند. کلمات انتخاب شده با این میکروفون ضبط شده و برای گروهی از شنوندگان انسانی پخش شد و از آنها خواسته شد کلمات را شناسایی کنند. آزمایش مشابهی با یک میکروفون نوری "کلاسیک" با همان تداخل سنج اما بدون هیچ گونه درهم تنیدگی فوتون ها انجام شد. افراد در تشخیص کلمات ضبط شده ی کوانتومی کمی موفق تر بودند .

کایزر به سرعت اعتراف می کند که در آزمایش تقلب شده است. او می‌گوید: «میکروفون ما در یک موقعیت مصنوعی که در اینجا ایجاد کردیم مزیت کوانتومی دارد. این وضعیت شامل کم کردن صدا در طول جلسات ضبط بود به طوری که نوفه شلیک اندازه گیری نسبت به سایر نوفه ها زیاد باشد. کایزر شدت نوفه را با تبادل اطلاعات مخدوش بین راننده ماشین مسابقه و تیم تعمیر ماشین مقایسه می کند، جایی که تقریبا فقط نیمی از کلمات به درستی فهمیده می شوند.

اما حتی اگر روش کوانتومی جدید انقلابی در ضبط صدا ایجاد نکند، ممکن است برای انواع دیگر اندازه‌گیری‌ها مانند تصویربرداری بیولوژیکی مفید باشد. کایزر توضیح می‌دهد که بیشتر سلول‌ها تحت نور شدید به‌طور غیرعادی رفتار می‌کنند یا می‌توانند آسیب ببینند. یک میکروسکوپ کوانتومی با استفاده از طرح درهم تنیدگی این محققان می‌تواند روش‌های تصویربرداری با وضوح بالا را با استفاده از فوتون‌های کمتر به خوبی انجام دهد.

لورنت لابونته Laurent Labonté، متخصص اپتیک کوانتومی از دانشگاه نیس سوفیا آنتی‌پولیس در فرانسه می‌گوید: «در چارچوب توسعه حسگرهای عملی، این کار جدید به‌عنوان نمایشی زیبا از «مزیت کوانتومی» با استفاده از حالت‌های کوانتومی نور که درهم تنیدگی را نشان می‌دهند، می‌باشد».

بیل پلیک Bill Plick از دانشگاه دیتون، اوهایو، که اصول مکانیک کوانتومی را مطالعه می کند، می گوید: «این یک ترکیب بسیار بدیع و مبتکرانه از مفاهیم اندازه شناسی کوانتومی است. اگرچه من فکر نمی‌کنم این کار را بتوان «ادراک از چیزی اساساً کوانتومی» نامید، اما به نوعی راهی به مردم می دهد تا جلوه‌های کوانتومی را بررسی کنند و ببینند که آنها می‌توانند تأثیر قابل تشخیصی داشته باشندکه واقعاً جالب است».

[1] R. Nold et al., “Quantum optical microphone in the audio band,” PRX Quantum 3, 020358 (2022).

منبع

https://physics.aps.org/articles/v15/87