ایجاد هولوگرام‌های کوانتومی

گروهی از فیزیک‌دانان در ورشو برای نخستین بار موفق به ایجاد هولوگرام‌های کوانتومی با استفاده از فوتون‌ها شده‌اند. این کار پیش از این صورت نگرفته بود و حتی از دید دانشمندان غیر ممکن به نظر می‌رسید. اما اکنون به نظر می‌رسد که شاهد آغاز دوره‌ی جدیدی در زمینه‌ی فیزیک کوانتوم و کاربردهای احتمالی این دستاورد در دنیای واقعی خواهیم بود.

تا چندی پیش، دانشمندان گمان می‌کردند که انجام چنین کاری غیر ممکن است. آنها باور داشتند که قوانین بنیادی فیزیک مانع انجام آن خواهند شد. اما به تازگی گروهی از دانشمندان پرتلاش و کنجکاو در دانشگاه ورشو هم اکنون موفق به انجام کاری شده‌اند که پیش از این به زعم عده‌ی زیادی غیرممکن به شمار می‌رفت؛ آنها یک هولوگرام از یک ذره‌ی منفرد از نور ایجاد کرده‌اند.

این کار ارزشمند در واقع به منزله‌ی آغاز یک عصر جدید در هولوگرافی کوانتومی است و به دانشمندان یک نگرش جدید برای بررسی و نگاه به پدیده‌های کوانتومی خواهد داد. بر خلاف عکاسی، هولوگرافی ساختار فضایی اشیا را بازسازی می‌کند و برای ما اشکال سه‌بعدی آنها را ارایه می‌دهد. این تکنیک با استفاده از پدیده‌ای به نام تداخل کلاسیک به طور عملی می‌تواند اجرا شود. تداخل کلاسیک به برخورد دو موج و ایجاد یک موج جدید در پی آن گفته می‌شود.

اما نکته‌ی حایز اهمیتی وجود دارد، این که رخ دادن پدیده‌ی تداخل کلاسیک در فوتون‌ها غیر ممکن است. زیرا فازهای امواج (فاز در اینجا به عنوان خاصیتی از موج مطرح است) به طور مداوم در نوسان هستند. بنابراین فیزیک‌دانان ورشو بر آن شدند تا برای ایجاد هولوگرام کوانتومی روش مد‌نظر خود را با استفاده از تداخل کوانتومی امتحان کنند. در روش‌ آنها، توابع موجی فوتون‌ها با هم تداخل می‌کنند. گفتنی است که توابع موجی روی تعیین میزان احتمال قرار داشتن یک ذره در یک حالت خاص تعیین‌کننده است.

تابع موج یک مفهوم اساسی در مکانیک کوانتومی است و به عنوان هسته‌ی مرکزی اصول مهم آن که معادله‌ی شرودینگر است، به شمار می‌رود. شاید در نظر یک فیزیکدان باتجربه، ارزش این تابع همانند ضرورت و ارزش بتونه برای یک پیکرتراش باشد. به عبارتی هنگامی که شکل‌دهی ماهرانه‌ی یک پدیده به پایان رسید، می‌توان از آن برای ایجاد یک کالبد کلی برای مدل یک سیستم ذره‌ی کوانتومی استفاده کرد.
چرا فوتون‌ها؟

رادوسلاو کراپکوییز (Radoslaw Chrapkiewicz) و مایکل جاچورا (Michal Jachura)، دو تن از پژوهشگران ورشو، در حال فیلم‌برداری از رفتار یک جفت فوتون متوجه وقوع پدیده‌ای به نام تداخل دو فوتونی شدند. در تداخل دو فوتونی، یک جفت از فوتون‌های قابل تشخیص به طور تصادفی هنگام ورود به یک شکاف‌دهنده‌ی پرتو (یک شعاع از نور تقسیم) با همدیگر واکنش می‌دهند.

اما فوتون‌های غیر قابل تشخیص، پدیده‌ی تداخل کوانتومی را از خود بروز می‌دهند که این پدیده روی رفتار آنها تاثیر می‌گذارد. جفت‌های فوتون‌ها همواره یا با هم منتقل می‌شوند یا اینکه هر دو با هم بازتاب می‌یابند. کراپکوییز در این باره می‌گوید:

پس از این آزمایش، ما از خود پرسیدیم که آیا دو فوتونی که تداخل کوانتومی را صورت می‌دهند، می‌توانند به طور مشابه برای ایجاد تداخل کلاسیک در هولوگرافی، به منظور استفاده از فوتون‌هایی با حالت شناخته شده برای به دست آوردن اطلاعات بیشتر در مورد فوتون‌هایی با حالت ناشناخته به کار روند یا خیر.

تجزیه و تحلیل ما منجر به یک نتیجه‌گیری شگفت آور شد؛ وقتی دو فوت تداخل کوانتومی داشته باشند، این فرایند تداخل به شکل جبهه‌ی موج آن فوتون‌ها بستگی خواهند داشت. جبهه‌ی موج یک سطح فرضی است که تمامی نقاط هم‌فاز مجاور را در موج به هم پیوند می‌دهد.

درک مکانیک کوانتومی

این آزمایش دارای دستاوردهای زیادی برای بهبود درک ما از قوانین اساسی مکانیک کوانتومی است. مکانیک کوانتومی زمینه‌ای از فیزیک است که برای بیش از یک قرن اخیر ذهن دانشمندان را همواره به طرز گیج‌کننده و فریبنده‌ای درگیر خود ساخته است. یافته‌ی اخیر به دانشمندان این امکان را خواهد داد تا بتوانند به داده‌های ارزشمندی درباره‌ی حالت (فاز) توابع موجی فوتون‌ها دست پیدا کنند. جاچورا در این مورد می‌گوید:

این آزمایش یکی از اولین آزمایش‌هایی است که به ما امکان می‌دهد تا به طور مستقیم یکی از پارامترهای اساسی تابع موج فوتون، یعنی فاز آن را مشاهده کنیم و یک گام به درک رفتار تابع موج در واقعیت نزدیک‌تر شویم.

محققان امیدوارند تا بتوانند از این روش برای ایجاد هولوگرام اشیا کوانتومی پیچیده‌تر استفاده کنند؛ روندی که در ادامه ممکن است دارای دستاوردهای بیشتری در علوم پایه برای موارد کاربردی دنیای واقعی باشد. کنراد باناسزک (Konrad Banaszek) یکی از پژوهشگران گروه آزمایش ورشو نیز باورد دارد:

همه‌ی ما فیزیک‌دان‌ها باید به طور جدی توجه خود را معطوف این ابزار جدید کنیم. این احتمال وجود دارد که موارد کاربردی واقعی هولوگرافی کوانتومی حتی برای چند دهه‌ی آینده هم در دسترس نباشند، اما اگر در حال حاضر تنها از یک موضوع مطمئن باشیم، آن است که دستاوردهای احتمالی در آینده بسیار شگفت‌انگیز خواهند بود.