ميزة الفوتونات المتشابكة في توصيف المواد

بقيادة طالب الدكتوراه مامون صفدي والبروفيسور يارون برومبرغ من الجامعة العبرية ، تم إجراء تجربة أظهرت لأول مرة ميزة كبيرة في توصيف المواد باستخدام الفوتونات المتشابكة على الضوء الكلاسيكي. قامت التجربة المنشورة في المجلة المرموقة Nature Physics بقياس الضوء من الفوتونات المتشابكة التي كانت مبعثرة للخلف من مبعثر غير ثابت. أظهرت نتائج التجربة أن الفوتونات المتشابكة تقلل خطأ القياس بمقدار أربعة أضعاف الضوء غير المتشابك ، وبالتالي تكسر حاجز كرامر-راو للضوء الكلاسيكي. للتجربة العديد من الآثار العملية في توصيف المواد والأنسجة البيولوجية للاحتياجات الطبية. معمل البروفيسور يارون برومبرغ ، الائتمان: مختبر البروفيسور برومبرغ في العصر الحديث ، تعلمت البشرية الاستفادة على نطاق واسع من الضوء وخصائصه. إلى جانب القدرة على إضاءة طريقنا في الظلام ، في ظل الظروف المناسبة ، يمكن للضوء أن يقطع المعادن ، ويصلح الرؤية ، ويشفي الجلد ، ويبث المسلسل المفضل على Netflix ، ويرسل الرموز التعبيرية إلى الأصدقاء ، وحتى يميز انفجارات السوبرنوفا في الفضاء وأجواء الكواكب البعيدة . على الرغم من أن الضوء هو أحد أكثر الأشياء التي تمت دراستها في العلوم ، إلا أن الاكتشافات الجديدة تستمر في الظهور كل يوم في جميع أنحاء العالم. انطلقت دراسة الضوء بشكل كبير مع تطور ميكانيكا الكم التي أعطت خصائص الجسيمات الخفيفة. في السنوات الأخيرة ، تُرجمت الاكتشافات العلمية إلى تقنيات تطبيقية تستفيد من الخصائص الكمية غير المستغلة. أحدها هو التشابك الكمي ، الذي فاز به الفائزون الثلاثة بجائزة نوبل في الفيزياء لعام 2022. هذه ظاهرة ليس لها نظير كلاسيكي ، وبالتالي فهي ليست بديهية. هذه الظاهرة غير عادية لدرجة أنها تمكنت من إرباك ألبرت أينشتاين ، أبو النسبية ومطوري ميكانيكا الكم. بشكل عام ، فإن التشابك الكمي يربط مصير الجسيمات ، لذا فإن قياسًا واحدًا على أحدها ، يحدد الخصائص المتشابكة للجسيمات الأخرى على الفور ، حتى لو كانت على بعد سنوات ضوئية من بعضها البعض. يفترض أحد تفسيرات التشابك الكمومي أن الجسيمات المتشابكة تتصرف كجسم واحد وأن الطبيعة ليست محلية. تعني المحلية أن تأثير الأجسام على بعضها البعض يتحرك بسرعة لا تزيد عن سرعة الضوء ولا تحدث على الفور. في العقود الأخيرة ، استفادت شركات التكنولوجيا العالية ، الكبيرة والصغيرة ، من الخصائص الغريبة للتشابك الكمومي لتطوير تقنيات غريبة مثل الكمبيوتر الكمومي والتشفير الكمومي والرادار الكمومي وغير ذلك. الآن ، وجد باحثون من الجامعة العبرية بقيادة البروفيسور يارون برومبيرج وطالب الدكتوراه مامون صفدي استخدامًا آخر للتشابك الكمي لجسيمات الضوء (الفوتونات). في مقال نشروه في مجلة Nature Physics المرموقة ، أظهر الباحثون أنه في عملية بصرية تسمى التشتت الخلفي المتماسك ، تعطي الفوتونات المتشابكة نتيجة أكثر دقة للمسار الحر للضوء في الناشر. طالب الدكتوراه مأمون صفدي ، الائتمان: مامون صفدي ، البروفيسور يارون برومبرغ ، الائتمان: البروفيسور برومبيرج إيهاد ليف ، أحد مؤلفي المقال. ائتمان: Ahad Liv على تشتت خلفي متماسك باستخدام الضوء الكلاسيكي والفوتونات المتشابكة.عندما يخترق الضوء وسط سائل أو غازي ، يتشتت نتيجة الاصطدام بين جسيمات المادة. في معظم الأوقات ، يتقدم الضوء إلى الوسط ، بزوايا مختلفة ، ولكن في بعض الأحيان يمكن أن يعود الضوء أيضًا. اتضح أن أعلى إضاءة من هذا التأثير ، والمعروفة باسم التبعثر الخلفي المتماسك ، يتم ملاحظتها بزاوية صفرية ، أي العودة مباشرة إلى مصدر الضوء. في دراسة أجراها Safdi و Bromberg ، أظهر الباحثون أن هذه الخاصية محفوظة أيضًا مع الفوتونات المتشابكة. لإثبات هذا الادعاء ، كان على الباحثين التغلب على العديد من التحديات التقنية ، أولاً وقبل كل شيء استخدام المشتت الديناميكي (أي ، المشتت الذي يتكون من جزيئات تتحرك في الفضاء ، وهي ليست ثابتة) التي تدمر بسهولة تشابك الفوتونات. توصل الباحثون إلى نتيجة أخرى مهمة بعد دراسة المظهر الجانبي للضوء التشتت الخلفي ، وذلك بفضل حقيقة أنه يتغير اعتمادًا على نوع المادة وخصائصها. يحدد الفيزيائيون شدة تشتت الضوء بمساعدة حركته الحرة. تحدد هذه المعلمة متوسط ​​المسافة التي يقطعها الضوء بحرية حتى يصطدم ببعض الجسيمات. كلما كانت المادة أكثر كثافة ، أو كلما كانت جزيئات المادة أكبر ، كلما كان المسار الحر للفوتون أقصر. اتضح أن الحركة الحرة يمكن أن تتميز بكثافة الإضاءة المبعثرة للخلف بزوايا مختلفة. في الورقة التي أعدها Safdi و Bromberg ، أظهر الباحثون أن الحركة الحرة للضوء يمكن استنتاجها بدقة أكبر من شدة التشتت الخلفي المتماسك للفوتونات المتشابكة ، مقارنة بالضوء الذي يتصرف بشكل كلاسيكي تمامًا. كانت دقة القياس أربع مرات من التجارب السابقة التي أجريت باستخدام الضوء الكلاسيكي ، وبالتالي كسر حاجز كرامر-راو للضوء الكلاسيكي ، والذي يصف مدى دقة قياس الكميات الفيزيائية. يوضح هذا الحاجز أن الدقة العالية تنتج من الضوء ذي الطول الموجي القصير. لذلك ، افترض الباحثون أن الحاجز مكسور لأن الفوتونات المتشابكة تتصرف مثل الضوء بنصف طولها الموجي الكلاسيكي. لأبحاث سافدي وبرومبيرج العديد من الآثار العملية في توصيف مستوى التعكر في المواد والأنسجة البيولوجية. تعتبر الحركة الحرة حساسة لمجموعة واسعة من الخصائص ، مثل التغيرات في درجة الحرارة وتركيز المواد وظروف الإجهاد الخارجي. بمساعدة مجرى الضوء المجاني ، من الممكن تشخيص الأنسجة السليمة وتلك التي لا تعمل بشكل صحيح. بفضل التحسن في الدقة ، يمكن إجراء اختبار أكثر موثوقية ويمكن تجنب التشخيصات الخاطئة. يضيف مأمون صفدي ، طالب الدكتوراه: “إن الظاهرة الكلاسيكية المتمثلة في التشتت الخلفي المترابط تستند إلى ضوء متماسك ينير وسط تناثر في اتجاه معين. وعلى الرغم من أن هذه الظاهرة قد درست لعقود بوسائط مختلفة ، إلا أن القليل منهم قد نظر إلى ما يحدث عندما يكون المصدر و لا يتم استبدال الوسط. حقيقة أن هذه الظاهرة تُلاحظ أيضًا مع الفوتونات المتشابكة هي مفاجأة تمامًا ، لأن مصدر الضوء هذا ليس له اتجاه محدد. أزواج الفوتونات تضيء الوسط في العديد من الزوايا المختلفة. ” أوضح لنا البروفيسور برومبيرج أن المشروع بدأ بفضول الباحثين لفهم سلوك الضوء وخصائصه الكمومية – “بدأنا العمل في هذا المشروع ببساطة بدافع الفضول لمعرفة ما يحدث للفوتونات المتشابكة عندما تتشتت في عكر التجميعات. لحسن الحظ ، أثناء العمل اكتشفنا أن التشابك لا يؤدي فقط إلى حالات كمومية مثيرة للاهتمام لفوتونات التشتت ، بل يمكنه أيضًا تحسين دقة قياس خصائص المواد. لقد فاجأنا هذا في البداية لأننا توقعنا أن يؤدي التشتت إلى طمس الفوائد الكمومية من الدول المتشابكة ، ولكن بمساعدة شركائنا من معهد لانجفين في باريس وجامعة جنوب كاليفورنيا ، تمكنا من إظهار أن هذا يرجع إلى الخصائص الإحصائية الفريدة للفوتونات المتشابكة. “لقراءة المقال ، انقر هنا Do Do لديك سؤال أو موضوع تود أن أكتب عنه؟ اتصل بي على [email protected]