همشهری آنلاین - یکتا فراهانی: این کشف، کلید موفقیت «تصویربرداری کوانتومی با فوتون‌های بدون آشکارسازی» است؛ حتی در شرایط ناپایدار و راه را برای فناوری‌های کوانتومی از تصویربرداری تا کامپیوترهای آینده مقاوم‌تر باز کرد.
اما به‌تازگی یک معمای پنج دهه‌ای در قلب فیزیک کوانتوم بالاخره حل شده؛ آیا ذره، موج است؟ دانشمندان Stevens حالا پاسخی دقیق برای این سؤال دارند.
رابطه بین موج و ذره
با افزودن متغیر «همدوسی» به مدل‌ها، رابطه‌ای دقیق بین موج بودن و ذره بودن نور و ماده تهیه شد؛ فرمولی که مرز بین علم و فن را زیرورو می‌کند. اما از الکترون و فوتون تا کل نظریه‌پردازی در کوانتوم، دوگانگی موج - ذره همواره معمایی بزرگ بوده است. آیا شیء کوانتومی موج است یا ذره؟
نظریه‌ای مبتنی بر نابرابری با افزودن فاکتور «همدوسی»
پیشینیان، نظریه‌ای مبتنی بر نابرابری پیشنهاد داده بودند: موج بودن + ذره بودن ≤ ۱. اما این تئوری نمی‌توانست ضمانت کند که دو خاصیت همزمان افزایش پیدا نکنند، موضوعی که تناقضی بنیادین ایجاد می‌کرد. حالا گروهی از فیزیکدانان Stevens Institute of Technology، با افزودن فاکتور «همدوسی (coherence)»، معادله‌ای نو تدوین کرده‌اند که این رابطه را به‌صورت دقیق و برابر با یک (۱) می‌رساند؛ تحولی شگرف در فیزیک نظری و البته کاربردی.
بیشتر بخوانید :
منطق پشت کشف؛ رفع نقایص مدل‌های پیشین
در مدل‌های کلاسیک، موج بودن (interference visibility) و ذره بودن (path predictability) به‌صورت نابرابری تعریف می‌شدند مجموع آن‌ها حداکثر یک بود. این به آن معنا بود که شیء راوی باید یا موج‌گونه و یا ذره گونه رفتار کند؛ اما مثال‌هایی وجود داشتند که هر دو ویژگی در آن افزایش می‌یافت. فیزیکدانان برای اصلاح این موضوع، متغیری جدید را معرفی کردند: همدوسی؛ تخصیص پاداش دقیق به ساختار موج‌گونه داخل سیستم. با افزودن این فاکتور، رابطه دقیق موج بودن + ذره بودن = ۱ به دست آمد؛ حل معمایی که نیم‌قرن ذهن‌ها را مشغول کرده بود.
فرمولی زیبا: از نابرابری تا دقت کامل
اکنون می‌توان موج بودن و ذره بودن را به‌صورت عددی دقیق اندازه گرفت، نه فقط گفت «کمتر یا مساوی یک». نتیجه، یک منحنی Quarter‑Circle زیبا برای سیستم‌های همدوس کامل است؛ و با کاهش همدوسی، این منحنی تبدیل به بیضی می‌شود که نشان‌دهنده افت کیفیت تشخیص موج/ذره است.
تکنولوژی کوانتومی جدید در عمل؛ تصویربرداری با فوتون‌های بی‌نما
برای اثبات عملی این تئوری، تیم فیزیکی تکنیکی به‌نام تصویربرداری کوانتومی با فوتون‌های بدون دریافت (QIUP) را به کار گرفت. در این روش، یک فوتون جفت‌شده از شیء اسکن‌شده عبور می‌کند؛ اگر دیسک مسیر بامانع مواجه شود، همدوسی آن کاهش می‌یابد. از طریق اندازه‌گیری موج بودن و ذره بودن فوتون جفت، ساختار موانع را می‌شود بازسازی کرد. حتی در شرایط نامناسب (نویز حرارتی یا لرزشی)، این فناوری همچنان اطلاعات لازم را استخراج می‌کند؛ منحنی بیضوی آن ممکن است فشرده شود، اما داده اصلی باقی می‌ماند.
پیامدها؛ از محض به کاربردی
این کشف بنیان نظری فیزیک کوانتوم را مستحکم‌تر می‌کند و امکان ساخت فناوری‌های جدید در تصویربرداری کوانتومی و رایانش کوانتومی را فراهم می‌سازد و نشان می‌دهد می‌توان با شرایط محیطی حتی ناپایدار هم فناوری‌های کوانتومی را اجرایی کرد.
حل معمای موج - ذره
حل معمای موج - ذره با فرمول دقیق و افزودن متغیر همدوسی، نه فقط یک دستاورد کم‌سابقه در علم نظری، بلکه آغازگر فصل تازه‌ای در فناوری‌های کوانتومی است. از تصویربرداری تا تشخیص‌های پیچیده کوانتومی، این کشف نشان می‌دهد شبکۀ غیرقابل‌لمس کوانتوم را می‌شود با طراحی و دقت مهندسی کرد. حالا می‌توان باور کرد مرز میان موج و ذره، تنها یک مسئله نظری نیست؛ بلکه پلی به‌سوی آینده‌ای شفاف‌تر در دنیای علم و فناوری است.
