طريقة جديدة تسمح بقياس الحالات الكمومية بسرعة ودقة
نقلة نوعية في الفيزياء الكمية

التصوير السطحي للدوران النووي (Nuclear Spin Tomography) هو تطبيق في مجال الطب .

يمتص المريض ويعيد بعث الإشعاعات الكهرومغناطيسية (Electromagnetic Radiations) في كل الإتجاهات، والوالتى يتم رصدها وإعادة بنائها علي هيئة صور ثلاثية الأبعاد أو شرائح مصورة ثنائية الأبعاد.

في معمل علومٍ أساسي ، يعتبر التصوير السطحي (التوموغرافي) للحالات الكمومية (Quantum State Tomography) عملية وصفية للحالة الكمومية لجسم معين كما هي مُنبعثة من مصدرها ، قبل أن تأخذ القياسات أو التفاعل مع البيئة مكانها.

Triple Laue (LLL) neutron interferometer. Credit: Vienna University of Technology
مقياس التداخل النيوتروني لاي المثلث (LLL). جامعة فيينا للتكنولوجيا

التقنية أصبحت أداة أساسية في مجال التكنولوجيا الكمومية الناشئة .

الإطار النظري لتموغرافية الحالة الكمومية ترجع بنا إلى سبعينيات القرن الماضي .

تنفيذها التجريبي في الوقت الحاضر أنتج لنا مجموعة متنوعة من الأنظمة الكمومية.

المفهوم الأساسي لتوموغرافية حالةٍ كمومية هو القيام بقياسات بشكل متكرر من الاتجاهات الحيزية المختلفة في النظم الكمومية لكي تميز حالة النظام الكمومي بتفرد.

هذا يتطلب الكثيرمن المعالجة الحاسوبية اللاحقة للبيانات، التي تم قياسها لكي تستدل علي الحالة الكمومية المبدئية من نتائج القياسات الملاحظة .

بناءً علي ذلك ، في 2011 ، تقول طريقة جديدة ، بإمكانية الحصول على توموغرافيا أكثر إستقامة تم تأسيسها لكي تحدد الحالة الكمومية دون الحاجة إلي عمليات المعالجة اللاحقة.

ومع ذلك، هذه الطريقة في أمر سلبي رئيس : تستخدم أقل قدرمن القياسات المشوشة، مايسمى بالقياسات الضعيفة، لكي تحدد حالة النظام الكمومية.

الفكرة الأساسية تختبئ وراء القياسات الضعيفة التي تستقبل قليل القليل من المعلومات حول النظام الملاحظ عن طريق الحفاظ علي التشويش الواقع علي عملية القياس قليلة أو يمكن تجاهله.

عادة، القيام بعملية القياس لها تأثير كبير علي النظام الكمومي ، مسببة ظاهرة كمّية تدعي التشابك Entaglement)) أو تدخل لإنهاء أمر بغير رجعة .

إذا كانت كمية المعلومات المأخوذة بواسطة تلك الخطوة قليلة جداً، فمن المحتم على القياسات أن تكون متكررة عدة مرات، يوجد عيب كبير في آلية عملية القياس في التطبيق العملي .

فريق بحثي من معهد الفيزياء الذرية والشبه ذرية من TU Wien بقيادة ستيفان سبونار (Stephan Sponar) تمكن من دمج الطريقتين.

«كنا قادرين علي تطوير الطريقة المنشأة مستقبلاً ولهذا السبب نريد القياسات الضعيفة أن تصبح مهملة. ومن ثم، كنا قادرين علي التكامل. مايعرف بالقياسات القوية، في عملية القياسات المباشرة للحالات الكمومية. وهكذا ، فإنه من الممكن معرفة الحالة الكمومية بدقة وضبط عالٍ في وقت أقصر بكثير مقارنة بطريقة القياسات الضعيفة، تقدم هائل !»

يشرح توبياس دنكماير (Tobias Denkmayr) المؤلف الأول للورقة البحثية.

تلك النتائج تم إذاعتها في جورنال فيزيكال ريفيو ليتّرز Physical Review Letters .

Schematic illustration of the interferometric setup. Credit: Vienna University of Technology
الشرح التخطيطي للتركيب المتداخل الضوئي. جامعة فيينا للتكنولوجيا

إختبار تجريبي لمخطط جديد للتداخل الضوئي النيوتروني (Neutron Interferometric Experiment) تم تنفيذه بواسطة سبونار وفريقه.

إنها مبنية علي طبيعة موجات النيوترون ، والتي هي مكونات نووية عملاقة مكونة ثلثي الكون غالباً.

ومع ذلك، إذا كانت منعزلة عن النواه الذرية -علي سبيل المثال، كما في عملية الإنشطار في مفاعل بحثي ، تعامل مثل الموجات-.

تلك الظاهرة تسمي إزدواجية الجسيم – الموجة (Wave-Particle Duality)، مما يفسَر في إطار ميكانيكا الكمّ.

بداخل مقياس التداخل، حزمة (Beam) يتم إنقسامها إلي حزمتين منفصلتين بواسطة رقاقة سيليكون رفيعة كريستالية.

تسافر الحزم في طرق مختلفة في الفضاء ، وفي نقطة ما يتم تجميعها ويسمح لهم بالتدخل (Interfere).

تمت التجربة على مصدر النيوترون المتواجد في معهد لاوي لانجفين (ILL) في جرينوبل (Grenoble)، حيث أن فريق معهد الفيزياء الذرية والشبه ذرية مسؤول عن بوابة الحزمة الدائمة.

من المهم الأخذ بعين الاعتبار أن النتائج ليست محدودة على النظام الكمّي المتكون من نيوترون وحيد، بل الحقيقة عامة جداً.

فبالتالي يمكن تطبيقها في الأنظمة الكمية الأخرى مثل الفوتونات والأيونات المحتجزة أو المكدسة الفائقة التوصيل.

النتائج يمكن أن تكون صدمة كبيرة في كيفية قياس الحالة الكمية المقامة في المستقبل ويتم استغلالها جيداً لتطوير التكنولوجيا المطبقة في علوم المعلومات الكمية .

الترجمة: ماريو جورج سامي.
التدقيق: أسامة القزقي.
المصدر