درهم‌تنیدگی کوانتومی در یک سیستم مکانیکی بزرگ‌مقیاس، توسط فیزیک‌دانانی از اتریش و هلند به اثبات رسیده است. این پژوهش‌گران تایید کرده‌اند که آزمایش آن‌ها «آزمون بل» برای درهم‌تنیدگی را با موفقیت پشت سر گذاشته‌ است. این سیستم توسط سایمون گروبلاچر (Simon Gröblacher) و همکارانش در دانشگاه فناوری دِلف و دانشگاه وینیا ایجاد شده و به توسعه‌ی فناوری‌های اطلاعات کوانتومی مثل گره‌های حافظه منجر خواهد شد.

درهم‌تنیدگی، نتیجه‌ای کنجکاوانه از مکانیک کوانتومی است که اجازه می‌دهد تا دو ذره به گونه‌ای که نمی‌توان آن را با مکانیک کلاسیک توصیف کرد، باهم ارتباط برقرار کنند. این پدیده معمولاً به شکل هم‌بستگی‌هایی مابین برخی اندازه‌گیری‌ها بر روی دو ذره (مثل قطبش‌ آن‌ها) مشاهده شده است. در سال ۱۹۶۴ فیزیک‌دان اتریشی جان بل (John Bell) این آزمون مشهور را این‌گونه توصیف کرد که آیا چنان هم‌بستگی‌هایی قوی‌تر از آن چیزی است که توسط فیزیک کلاسیک مجاز شمرده شده یا نه؛ چیزی‌که توسط نقض آنچه نامساوی بل نامیده می‌شود قابل تعریف است.

نتیجه آن‌که درهم‌تنیدگی می‌تواند در سیستم‌هایی رخ دهد که بسیار بزرگ‌تر از ذرات بنیادی هستند. پیش‌تر در سال ۲۰۱۸، تیم گروبلاچر نشان داد که ممکن است دو قطعه سیلیکونی مشابه به درازای ۱۰ میکرون (هرکدام شامل حدود ۱۰ میلیارد اتم) باهم در‌هم‌تنیده شوند که هر کدام از آن‌ها از یک انتها چسبیده و به عنوان تشدید‌گرهای مکانیکی عمل می‌کنند.

اکنون چنانچه در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز گزارش شده است این تیم می‌گوید از سیستم مشابهی استفاده کرده‌اند تا «اولین آزمون بل را با استفاده از هم‌بستگی‌های مابین نور و تشدیدگرهای مکانیکی در ابعاد میکروی ساخته شده» اجرا کنند که اشیاء بزرگ‌مقیاس پرجرم را در بر می‌گیرد.

ارتعاش‌های خوب. نمایش چگونگی اندرکنش نور با تشدیدگرهای مکانیکی که به درهم‌تنیدگی منجر می‌شود.

تداخل‌سنج‌های اپتیکی

این آزمون شامل قراردادن تشدیدگرهایی در داخل دو بازوی (مسیر) جداگانه از یک تداخل‌سنج اپتیکی است، چنانکه این تشدیدگرها به فاصله‌ی ۲۰ سانتی‌متر از هم قرار گرفته‌‌اند. این تداخل‌سنج با استفاده از دو شکافنده‌ی پرتوی اپتیکی ایجاد شده‌ است؛ که یکی پرتوی نور را به دو بازو می‌شکافد و دیگری دو پرتو را (قبل از آن‌که دوباره شکافته شوند) با هم ترکیب می‌کند و دو پرتو را به دو آشکارساز فوتونی مختلف ارسال می‌کند.

این تشدیدگرها بخوبی تا ۱ کلوین سرد می‌شوند و آزمایش با یک لیزر آبی پالسی شروع می‌شود. این پالس آبی به داخل تداخل‌سنج شلیک شده و ارتعاشات را در یکی از تشدید‌گرها ایجاد می‌کند. سپس این تشدیدگرِ مرتعش‌کننده، یک فوتون گسیل می‌کند که با یکی از آشکارسازها (وقتی از تداخل‌سنج خارج می‌شود) گرفته می‌شود؛ در نتیجه تحریک را تایید می‌کند. چون تشدیدگرها یکسان هستند، راهی برای دانستن اینکه کدام تشدیدگر فوتون گسیل می‌کند وجود ندارد و این کار هردوی تشدیدگرها را در یک حالت درهم‌تنیدگی قرار می‌دهد.

جفت‌های همبسته‌شده

سپس یک پالس ثانوی از نور سرخ‌رنگ به سوی تداخل‌سنج شلیک شده و باعث می‌شود تا تشدید‌گر ارتعاش‌کننده یک فوتون ثانوی گسیل کند که با یکی از آشکارسازهای فوتونی آشکارسازی می‌شود. درهم‌تنیدگی تشدیدگرها با اندازه‌گیری هم‌بستگی‌ بین دو آشکارسازی که جفت‌های فوتونی را اندازه می‌گیرند تایید می‌شود. برای مثال این کار با محاسبه‌ی تعداد دفعاتی که اندازه‌گیری فوتون اولیه در آشکارسازی-۱ به دنبال فوتون ثانوی در آشکارساز-۲ رخ می‌دهد، انجام می‌شود.

با استفاده از جابجاکننده‌ی فاز در یکی از بازوهای تداخل‌سنج این تیم توانسته‌اند تا فاز پالس‌های آبی و سرخ‌رنگ را با گذشت از بازوهای مختلف، تنظیم کنند. این پژوهش‌گران با اندازه‌گیری هم‌بستگی‌ها به عنوان تابعی از این فازها قادر شده‌اند تا نامساوی بل را که برای بیشتر از ۴σ است به اثبات رسانده‌اند.

طول‌عمر این تحریکات در تشدیدگرها چندین میکروثانیه است. با این وجود اگر این مقدار به شکل قابل ملاحظه‌ای افزایش یابد، سیستم را می‌توان به عنوان گرهِ حافظه در یک رایانه‌ی کوانتومی استفاده کرد. گروبلاچر و همکارانش اکنون امیدوارند تا درهم‌تنیدگی را در مقیاس‌های بزرگ‌تر و برای حالات تشدیدگرهای اوپتومکانیکی کوانتومی پیچیده‌تر نشان دهند.

این آزمایش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز انتشار یافته است.

منبع:

Silicon resonators pass the Bell test for quantum entanglement