مقالات حوزه زیست شناسی
نسل جدیدی از آزمایش‌ های تک فوتون که دیدن کوانتوم را برای انسان امکان‌پذیر می‌کنند (قسمت اول)

نسل جدیدی از آزمایش‌ های تک فوتون که دیدن کوانتوم را برای انسان امکان‌پذیر می‌کنند (قسمت اول)

نوشتار زیر ترجمه مقاله‌ای است که چندی پیش در وب‌سایت تحلیلی ایون (aeon) و به قلم ربکا هولمز (RebeccaHolmes) درباره‌ی آزمایش‌های کوانتومی درگیر با ادارک انسان منتشر گردید. وی، فیزیکدانی در آزمایشگاه ملی لوس آلاموس در نیومکزیکو است.

من زمان زیادی را در تاریکی و در دانشکده‌ گذراندم. نه فقط به خاطر اینکه در حال یادگیری اپتیک کوانتومی (حوزه‌ای که ما معمولا با یک ذره از نور یا فوتون در یک لحظه کار می‌کنیم) بودم، بلکه به این خاطر که تحقیقات من از چشمانم به عنوان ابزار اندازه‌گیری استفاده می‌کرد. موضوع تحقیق من این بود که مردم چگونه کمترین مقدار نور را مشاهده می‌کنند و من همیشه اولین گزینه‌ی آزمایش بودم.

من این آزمایشات را در یک اتاق کوچک، واقع در طبقه‌ی هشتم دانشکده‌ی روانشناسی در دانشگاه ایلینوی، به همراه استاد راهنما و یک روانشناس انجام می‌دادم. فضای اتاق با استفاده از پرده‌های نورگیر و همچنین یک در مهر و موم شده، کاملا تاریک شده بود. به مدت شش سال، من روی یک صندلی نه چندان راحت به همراه یک محل برای نگه‌داری سر، خیره به نقطه‌ی تاریکی منتظر بودم تا پرتوهای اندکی را که توسط دقیق‌ترین منبع نور ساخته شده برای بینایی انسان منتشر می‌شدند، ببینم. هدف من کمی‌کردن چگونگی مشاهده‌ی پرتوهای نور متشکل از چند صد فوتون تا فقط یک فوتون، توسط انسان بود.

از آنجایی که ذرات مجزای نور یا همان فوتون‌ها به دنیای مکانیک کوانتومی تعلق دارند، اساتید فیزیک مستقیم به دانشجوها نگاه می‌کنند و خیلی راحت می‌گویند یک الکترون می‌تواند در یک لحظه در دو مکان قرار داشته باشد (برهم¬ نهی کوانتومی). یا اینکه اندازه‌گیری یک فوتون می‌تواند در همان لحظه فوتون دیگری را که بسیار دورتر، بدون هیچگونه ارتباط فیزیکی قرار دارد، تحت تاثیر قرار دهد (درهم ‌تنیدگی کوانتومی). شاید چون ما معمولا مجبور نیستیم این پدیده‌ها را با زندگی روزمره‌ی خود ادغام کنیم، این ایده‌های حیرت‌انگیز را بدون چون‌وچرا می¬پذیریم. خب، یک الکترون می‌تواند در یک لحظه در دو جا باشد ولی یک توپ فوتبال نمی‌تواند.

اما فوتون‌ها ذرات کوانتومی هستند که انسان می‌تواند به طور مستقیم آن‌ها را درک کند. آزمایش‌هایی که با یک فوتون انجام می‌شوند، می‌توانند دنیای کوانتومی را مجبور کنند تا قابل رویت شود. لازم نیست، خیلی منتظر بمانیم، چرا که حتی با تکنولوژی امروزی نیز چندین آزمایش امکان‌پذیر است. چشم، یک دستگاه اندازه‌گیری زیستی منحصر بفرد است و می‌تواند زمینه‌های پژوهشی هیجان‌انگیزی را به روی ما بگشاید که ما به درستی نمی‌دانیم چه چیزی آنجا در انتظار ماست و چه چیزی خواهیم یافت. مطالعه‌ی اینکه وقتی فوتون‌ها در یک حالت برهم‌ نهی هستند، ما چه چیزی مشاهده می‌کنیم، می‌تواند به درک ما از مرز بین دنیای کوانتومی و کلاسیک کمک کند. ضمن اینکه یک انسان ناظر حتی ممکن است در بررسی عجیب‌ترین نتایج درهم‌تنیدگی کوانتومی مشارکت داشته باشد.

سیستم بینایی انسان به عنوان یک آشکارساز کوانتومی، بسیار خوب عمل می‌کند. سیستم بینایی، شبکه‌ای از نورون‌ها و عضوهایی (از چشم گرفته تا مغز) است که نور را به تصویری که ما مشاهده و درک می‌کنیم، تبدیل می‌کنند. انسان‌ها و بستگان مهره‌دار ما دو نوع آشکارساز زنده‌ی نور دارند: سلول‌های استوانه‌ای و سلول‌های مخروطی. این سلول‌های دریافت‌کننده‌ی نور، در شبکیه‌ی چشم قرار دارند. شبکیه‌ی چشم، لایه‌ی حساس به نور است که در پشت چشم قرار دارد. سلول‌های مخروطی، دیدن رنگ را ممکن می‌سازند. اما آن‌ها به نور روشن نیاز دارند تا کار خود را به خوبی انجام دهند. سلول‌های استوانه‌ای فقط سیاه و سفید را تشخیص می‌دهند و برای دید در شب تنظیم شده‌اند. سلول‌های استوانه‌ای بعد از گذشت یک ساعت و نیم در تاریکی، به بیش‌ترین میزان حساسیت خود می‌رسند.

سلول‌های استوانه‌ای بسیار حساس هستند، به گونه‌ای که با یک فوتون نیز می‌توانند فعال شوند. یک فوتون از نور مرئی، تنها چند الکترون‌ولت انرژی حمل می‌کند (یک پشه‌ی در حال پرواز، چند ده میلیون الکترون‌ولت انرژی جنبشی دارد). یک واکنش زنجیره‌ا‌ی و حلقه‌ی بازخوردی درون سلول‌های استوانه‌ای، این سیگنال‌های کوچک را تقویت کرده و به یک پاسخ الکتریکی قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌کند که برای نورون‌ها، قابل فهم است.

ما می‌دانیم که استوانه‌ها آشکارسازهای تک فوتون هستند. به این دلیل که پاسخ الکتریکی یک سلول استوانه‌ای به یک تک فوتون، در آزمایشگاه اندازه‌گیری شده است. چیزی که تا همین اواخر، مجهول باقی مانده بود، این بود که آیا این سیگنال¬های کوچک از طریق بقیه‌ی سیستم بینایی، عمل دیدن را ممکن می-سازند یا اینکه به عنوان نویز یا هر چیز تلف شده‌ی دیگری فیلتر می¬شوند. پاسخ دادن به این سوال به دلیل اینکه ابزار صحیح بررسی آن وجود نداشت، بسیار سخت بود. نوری که از هر شی منتشر می¬شود، از نور خورشید گرفته تا لامپ‌های نئونی، یک جریان تصادفی از فوتون¬هاست؛ مانند قطرات بارانی که از آسمان می-ریزند. راهی برای پیش¬بینی دقیق اینکه فوتون بعدی چه زمانی خواهد آمد، یا اینکه دقیقا چند فوتون در یک بازه¬ی زمانی خواهند آمد، وجود ندارد. این حقیقت بدون اهمیت به اینکه نور چقدر کم باشد، اجازه نمی‌دهد با اطمینان بگوییم که یک ناظر انسانی در حقیقت در حال مشاهده‌ی چند فوتون است. شاید بیشتر از یک فوتون را مشاهده می‌کند.

در طول 75 سال گذشته، محققان روش¬های هوشمندانه¬ی زیادی را امتحان کردند تا به مشکل فوتون‌ تصادفی فائق آیند. اما در اواخر دهه¬ی 1980، یک زمینه¬ی جدید به نام اپتیک کوانتومی یک ابزار انقلابی را به نام منبع تک فوتونی توسعه داد. این ابزار، نوع جدیدی از نور بود که دنیا تا کنون نظیر آن را ندیده بود. این ابزار پیشرفته، به محققان این توانایی را می¬داد تا بتوانند دقیقا یک فوتون را در یک لحظه تولید کنند؛ یعنی اکنون ما به جای جریان باران، یک قطره چکان داریم.

امروزه دستورالعمل¬های فراوانی مانند اتم¬های به دام افتاده، نقاط کوانتومی و نقص‌های بلورهای الماس برای ساخت تک فوتون¬ها وجود دارد. روش مورد علاقه¬ی من که در زمان دانشجویی آن را آموختم، پایین-تبدیل پارامتری خودبخودی (spontaneous parametric downconversion) است. قدم اول: یک لیزر بردارید و آن را بر روی یک بلور بتا-باریم بورات بتابانید. فوتون¬های لیزر بعضی مواقع، درون بلور به دو فوتون دختر تقسیم می¬شوند. آن جفت فوتون تازه تولید شده، از سمت دیگر بلور خارج می¬شوند و شکلی شبیه به حرف Y تشکیل می‌دهند. قدم دوم: یکی از این فوتون‌های دختر را گرفته و به یک آشکارساز تک فوتونی که با آشکارسازی یک فوتون، صدای هشداری تولید می‌کند، ارسال کنید. چون فوتون‌های دختر همیشه بصورت جفت تولید می‌شوند، صدایی که آشکارساز تک فوتون تولید می‌کند، نشان دهنده‌ی این است که در شاخه‌ی دیگر شکل Y، یک تک فوتون آماده‌ی استفاده در آزمایش است.

در مطالعه‌ی بینایی تک فوتون یک نکته‌ی مهم دیگر نیز وجود دارد. ارسال تک فوتون به یک ناظر و پرسیدن این سوال از او که «آیا فوتون را دیدی؟»، یک طرح ناقص برای آزمایش است. زیرا پاسخ به این سوال به صورت عینی، برای انسان‌ها دشوار خواهد بود. ما نیز تا زمانی که مطمئن نباشیم، دوست نداریم به این سوال بله بگوئیم. چرا که مطمئن شدن از چنین سیگنال کوچکی، کار بسیار سختی است. نویز در سیستم بینایی می‌تواند در تاریکی کامل، انعکاس‌های شبح‌وار ایجاد کند و این باعث پیچیده‌تر شدن آزمایش می‌شود. روش بهتر این است که از ناظر بخواهیم بین دو گزینه انتخاب کند. ما در این آزمایش، به صورت تصادفی انتخاب می‌کنیم که فوتون را به چشم چپ یا راست ناظر ارسال کنیم و در هر آزمایش، از آن‌ها به اینصورت سوال می‌شود که: فوتون را در چشم چپ یا راست دیدی؟ اگر ناظر بتواند به این سوال، بهتر از یک حدس تصادفی پاسخ بدهد (حدس تصادفی در بیشتر موارد منجر به دقت ۵۰ درصد می‌شود)، ما متوجه می‌شویم که واقعا چیزی دیده است. به این روش، طرح آزمایشی انتخاب اجباری (Forced-Choice experimental design) می‌گویند که بیشتر در آزمایش‌های روانشناسی کاربرد دارد.

در سال 2016 یک گروه تحقیقاتی با رهبری فیزیک‌دانی به نام علی‌پاشا وزیری (Alipasha Vaziri) از دانشگاه راکفلر نیویورک آزمایش مشابهی را انجام دادند. هدف آن‌ها این بود که نشان دهند انسان‌ها می‌توانند به یک انتخاب اجباری با تک فوتون‌ها، بهتر از حدس تصادفی جواب دهند. این آزمایش، بهترین مدرکی است که توانایی انسان‌ها در دیدن تک فوتون را ثابت می‌کند. با استفاده از یک منبع تک فوتون مبتنی بر پایین-تبدیل پارامتری خودبخودی و طرح آزمایشی انتخاب اجباری، اکنون دو آزمایش ممکن وجود دارد که می‌تواند شگفتی کوانتومی را وارد حوزه‌ی ادراک انسان کند: اول، آزمایشی با استفاده از حالت‌های برهم ‌نهی، و دوم چیزی که آزمون بل (Bell test) برای بررسی ناموضعیت (Non-locality) با استفاده از یک ناظر انسانی نامیده می‌شود.
 


ادامه دارد...
كلمات كليدي :
آزمایش های تک فوتون , درهم تنیدگی کوانتومی , برهم نهی کوانتومی
 
امتیاز دهی
 
 

بيشتر