نشر فيزيائيون إسرائيليون من معهد وايزمان في مجلة العلوم أنهم أول من قام بتشابك الفوتونات كميًا فيما يسمى بحالات NOON - تراكب فوتونات N في حالة متساوية في ما يبدو أنه فوتون كبير سمين مع N يساوي 5.
من المعروف أن قطة شرودنغر هي تجربة هيدكن الأكثر شهرة في نظرية الكم. تثير هذه التجربة الفكرية صعوبات مفاهيمية في تفسيرات ميكانيكا الكم. القطة في حالة تراكب بين حالتين متطرفتين - حية أو ميتة. ولا يستطيع المراقب أن يقول أي من الحالات التي تميز القط السمين حتى يتم إجراء القياس ووضع القط في إحدى هذه الحالات. يتم تصنيع العديد من "حالات القطط" المتطرفة هذه في المختبر. إنها تشكل أساس المجال الناشئ لنظرية المعلومات الكمومية. تتطلب تطبيقات هذه النظرية التشابك الكمي، وهي خاصية فريدة لميكانيكا الكم. كما أنها تتطلب استخدام أوضاع شبيهة بالقطط، والتي تتكون من تراكب العديد من الأوضاع المختلفة. ويشارك في هذا المجال البروفيسور يارون زيلبربيرج وطلابه طالب الدكتوراه إيتاي أفيك وطالب الماجستير أورون إمبر من قسم الفيزياء في معهد وايزمان. لقد توصلوا مؤخرًا إلى اكتشاف مثير كانوا يعملون عليه لأكثر من عام.
الفوتون الدهني فعال في الفحص المجهري وأجهزة الكمبيوتر فائقة السرعة والطباعة الحجرية
وإذا كنا نتحدث عن قطة، والتي تتكون بشكل عام من مجموعة من العديد من الجزيئات أو الجزيئات، وكلها معًا إما حية أو ميتة... ربما من الممكن حتى خلق حالة، نوع من الجسيمات الكبيرة ، وهو في الواقع عدة جسيمات موجودة في التشابك الكمي؟ من الناحية النظرية، فإن الأفكار حول تشابك بعض الجسيمات الكمومية يمكن أن تسلط الضوء على السؤال المحير، لماذا لا نرى التشابك الكمي على المقاييس العيانية؟ أما بالنسبة للفوتونات، فهذه تطبيقات عملية إلى حد ما، وهي مساهمة كبيرة في مجال البصريات الكمومية.
في الواقع، يتركز اهتمام المجموعة من معهد وايزمان على حالات تسمى حالات NOON، وهي فوتونات كثيرة، أي فوتونات N في حالة متساوية من التراكب. تعمل الفوتونات ككيان جماعي، مثل فوتون سمين واحد، حيث تكتسب الطور بمعدل أسرع بكثير من فوتون واحد له نفس الطول الموجي. من الممكن استخدام حالات NOON للوصول إلى حد الدقة الكمومية الأساسية للقياس.
يمكن أن تكون أوضاع NOON مفيدة في الفحص المجهري. على سبيل المثال، المجاهر المخصصة للاستخدامات البيولوجية والتي تكون حساسة جدًا للضوء. يمكن أن توفر أوضاع NOON الدقة اللازمة باستخدام فوتونات مفردة بدلاً من الضوء التقليدي. حد الحيود لأوضاع NOON هو 1/N مرة من الضوء التقليدي. وهذا يعني أن أوضاع NOON يمكنها تحسين الفحص المجهري البصري والطباعة الحجرية. في مثل هذه الحالات، من الممكن استخدام الطباعة الحجرية الكمومية - الطباعة الحجرية الضوئية، التي تستفيد من الخصائص الكمومية للفوتونات (التشابك الكمي) لتحقيق تأثير أفضل من الطباعة الحجرية المعتادة - للوصول إلى دقة لا تصدق. الطباعة الحجرية الكمومية هي مجال جديد. سيتم حفر الحركة باستخدام الفوتونات المكونة بدلاً من استخدام القناع.
استخدام آخر لأنماط NOON هو في علم القياس الكمي، وهو دراسة أداء قياسات المعلمات الفيزيائية بدقة وحساسية عالية بمساعدة نظرية الكم، وذلك باستخدام التشابك الكمي، لوصف الأنظمة الفيزيائية. يمكن استخدام أوضاع NOON لتحسين الدقة عبر نطاق واسع من القياسات. إذا تم استخدام مقياس التداخل وتم إعادة تجميع الضوء في الجهاز، فإن عدم اليقين في القياس يكون 1/N نتيجة لذلك مقارنة بـ 1/N1/2 باستخدام نبضات الفوتون التقليدية. ولذلك فإن ميزة أوضاع NOON هي أن القياس الكمي يعمل على تحسين الدقة، مقارنة بالضوء التقليدي. وذلك مع زيادة عدد الفوتونات في حالات NOON. تهدف القياسات الكمومية بالفعل إلى تطوير تقنيات القياس لتوفير دقة أفضل من التقنيات الكلاسيكية.
ومن ثم فمن الواضح أنه من أجل تحسين الدقة هناك حاجة إلى المزيد من الفوتونات في حالات NOON، أي عدد كبير من N.
قامت مجموعة معهد وايزمان بإنشاء فوتون أكثر بدانة
حتى الآن، اقتصر إنشاء حالات NOON في المختبر على N=3. وقد حاول العديد من الباحثين عبور هذه الحدود، لكن تبين أن الأمر كان صعبًا للغاية. تمكنت إحدى المجموعات من الوصول إلى N=4، لكن الحركة التي استخدموها كانت معقدة للغاية ومقتصرة على أربعة مواضع.
تمكنت مجموعة سيلبربيرج من معهد وايزمان من إنشاء حالات NOON تصل إلى N = 5 بمساعدة تجربة عامة جدًا. وخلافا للتجارب السابقة، فإن الترتيب التجريبي يعتمد على دورة مصارعة جديدة. استخدمت المجموعة مقياس تداخل Mach-Zehnder، وهو جهاز يستخدم لتحديد تحول الطور بين الأشعة المتوازية تقريبًا من مصدر ضوء متماسك. يستخدم مقياس التداخل لقياس تحولات الطور الصغيرة الناتجة عن التغير في طول أحد المسارات. استخدمت المجموعة أيضًا مقسم شعاع مستقطب بنسبة 50/50 عندما تم إنشاء أوضاع NOON بعده.
مسار التجربة
أخذت المجموعة الليزر وأنتجت نبضات قصيرة من ضوء الأشعة تحت الحمراء. كل نبضة تنقسم إلى قسمين. حولت المجموعة نصف النبضة إلى نبضة تقليدية، "الضوء الكلاسيكي"، والنصف الآخر إلى نبضة كمومية تحتوي على فوتونات متشابكة، "الضوء الكمي". تم إطلاق النبضتين النصفيتين في مقسم الشعاع.
كيف يمكنك إنشاء الفوتونات المتشابكة؟ يتم إنشاء الفوتونات المتشابكة من خلال التحويل التلقائي البارامترى (SPDC) - وهو إجراء مركزي في تجارب البصريات الكمومية، وخاصة لإنشاء الفوتونات المتشابكة. تدخل الفوتونات إلى بلورة بورات الباريوم الشفافة وتنقسم إلى أزواج متشابكة.
لقياس عدد الفوتونات المتشابكة التي تم إنشاؤها، أرسل الفريق الفوتونات من خلال مقسم الشعاع. في كل مكان كانت هناك أجهزة كشف تسجل تقدم الفوتونات. كما تتذكر، تتصرف الفوتونات المتشابكة في حالة NOON كما لو كانت جزءًا من كتلة فوتون مفردة سمينة. يحتوي مقسم الشعاع على مدخلين ومخرجين. لذلك تختار جميع الفوتونات N نفس المخرج من المقسم كما لو كانت فوتونًا واحدًا. لكن المجربين لا يعرفون أي من المخرجين سوف تختاره جميع الفوتونات. ثم يتم إعادة دمج المسارين في مقياس تداخل Mach-Zehndr. ومن خلال قياس سعة ومرحلة إشارة التداخل الناتجة، تحدد المجموعة درجة التشابك وعدد الفوتونات المتشابكة.
وحسبت المجموعة أنه من خلال ترتيبها التجريبي، سيكون بمقدورها تحقيق دقة تجريبية تبلغ 92% فقط. وهذا أمر جيد لعدد تعسفي من الفوتونات. نجحت التجربة تسعين بالمائة من الوقت. ومع ذلك، مع أخذ هذه المقايضة في الاعتبار، فإن التجربة بالتالي عامة ويمكن أن تنتج حالات NOON عالية، وهو ما فشلت التجارب السابقة في تحقيقه.
بالنسبة لوضع NOON الخماسي الفوتون، قامت المجموعة بقياس تباين في إشارة التداخل بحوالي 42%. بالنسبة لأوضاع NOON الثنائية والثلاثية والأربعة، كانت التباينات 95% و86% و74% على التوالي. إذا لم تكن الفوتونات متشابكة على الإطلاق، فإن التباين يكون 17%.
تعليقات 42
شكرا لك يا أبي، وآسف على الخطأ الإملائي.
أورون؟
أرغب في استضافة مقال للعلماء يكتبون عن أبحاثهم الخاصة.
إلى أبي بيليكوفسكي (وأورون): أعتقد أن هناك مكاناً لأطلب من أورون (إذا كان مستعداً)، والذي أفهم أنه أحد مؤلفي المقال (ويشرح بشكل رائع)، أن يكتب مقالاً آخر عن التجربة ونتائجها المعاني، ربما مع خلفية صغيرة. الموضوع رائع وأعتقد أن هناك مجال لمقال أكثر شمولاً.
وبشكل عام، في حالة الاكتشاف الإسرائيلي - لماذا لا يتم إجلاء العلماء أنفسهم، فهم هنا بعد كل شيء.
أعني بكلمة الأوضاع أو الأوضاع حالات النظام التي تختلف في خصائصها الأساسية، وبعض الأمثلة على الأوضاع المختلفة: ترددات مختلفة (فوتونات ذات طاقة مختلفة)، والفوتونات التي تتحرك في مسارات منفصلة مكانيًا، والاستقطابات المتعامدة، وما إلى ذلك.
ليس من الممكن معرفة الوضع الذي اختارت الفوتونات التحرك فيه لأنه في أي وقت توجد فوتونات في النظام تكون في حالة تراكب لكونها في الوضع 1 والوضع 2 مع فرص متساوية (ما يسمى التشابك)، متشابهة إلى قطة شرودنغر. إذا عرفنا الوضع الذي اختارته الفوتونات بمساعدة كاشف يكتشف الفوتونات في أحد الوضعين فقط، فلن تكون الفوتونات في حالة تراكب بين الوضعين وستكون في وضع واحد فقط في كل مرة ( ستكون القطة حية أو ميتة ولكن ليس الاثنين معًا).
يصف انهيار الدالة الموجية الانتقال من حالة عدم اليقين بين عدة احتمالات إلى حالة حتمية بسبب المعلومات التي تلقيناها حول النظام.
إضافة الطور في النظام لا تؤدي إلى انهيار الدالة الموجية (وإلغاء التشابك) لأنها لا تضيف لنا معلومات عما يحدث في النظام، لأننا لا نعرف هل مرت الفوتونات عبر العنصر الذي يضيف الطور.
أورون
لدي الكثير من الأسئلة التي لا أعرف ماذا أطرحها... بالمناسبة، أنا أيضًا أنضم إلى الآخرين - إنه لمن دواعي سروري قراءة تفسيراتك.
مرة أخرى، فقط لمعرفة ما إذا كنت قد فهمت بشكل صحيح ما تشرحه، وسامحني على عدم معرفتي تقريبًا بالفيزياء، وعلى صياغة الأسئلة:
ماذا تقصد بـ "مود"؟ هل تقصد الوضع/المسار أم أنك تشير إلى أوضاع التأرجح الذاتي؟
لماذا لا توجد طريقة لمعرفة الوضع الذي اختارته الفوتونات؟ هل لأنهم في حالة تراكب بعد التجميع؟ ألا يحدث انهيار الموجة بفضل تنظيم العرض؟
شكرا.
بداية، أنا سعيد بوجود مثل هذا الاهتمام بالموضوع، وبالطبع يسعدني أن أجيب على أسئلتك بقدر ما أستطيع.
وفيما يتعلق بسؤال ايهود:
إذا قمنا بترجمة تأثير الحيود إلى لغة كمومية للفوتونات، فسيتم وصف التجربة على النحو التالي: هناك شقوق N على مسافة معينة من بعضها البعض ومن خلالها يمر ضوء متماسك بإحصائيات بواسون (بكلمات بسيطة - ليزر عادي ). لذلك في كل نبضة سيتم إطلاق عدد عشوائي (M) من الفوتونات من الليزر والتي سيتم تقسيمها بين جميع الشقوق وستمر في مسار بصري مختلف قليلاً حتى تلتقي مرة أخرى في الشاشة/الكاميرا/الكاشف وسيحدث التداخل توقف بسبب عدم القدرة على التمييز من أي شق جاءت الفوتونات المختلفة نظرا لحقيقة أن جميع الفوتونات متطابقة.
وفي حالة وضع NOON يكون عدد الفوتونات ثابتاً (N) وليس عشوائياً وستمر جميعها عبر نفس الشق ولن تنقسم إلى عدة مجموعات، وفي كل نبضة ستمر جميعها عبر شق عشوائي واحد.
أقرب شيء يمكنني التفكير فيه في سياق التشبيه بالحيود هو أنه في الحيود يوجد اتصال بين عدة مصادر متطابقة (متماسكة) وفي أوضاع NOON يوجد اتصال لعدد N من الفوتونات المتطابقة في نفس الوضع. إذا كان لدينا بدلاً من N فوتونات متطابقة في نفس الوضع N فوتونات غير متطابقة، فلن تظهر تأثيرات التداخل الكمي لأن الفوتونات لن "تتحدث" مع بعضها البعض (مثل اتصال مجالات N AM ذات ترددات مختلفة). بالإضافة إلى حقيقة أن جميع الفوتونات في نفس الوضع، فإن التشابك بين الوضعين فقط يعني أنه يمكننا ملاحظة تراكم الطور السريع عندما يكون هناك تراكب بين الوضعين المختلفين (فوتونات N في الوضع 1 وصفر في الوضع الوضع 2 والعكس).
لذلك، يمتلك NOON خاصيتين كموميتين ليس لهما نظير كلاسيكي: عدد ثابت وغير عشوائي من الفوتونات والتشابك.
فيما يتعلق بالخوارزمية الكمومية: مرة أخرى، لا أعتقد أن هناك اتصالاً. في النظام المثالي عندما نقوم بضبط النظام لإنشاء حالة NOON باستخدام فوتونات N، فإننا لا نقوم بتصفية النتائج، ولكن ننظر فقط إلى أحداث N فوتونات. ستكون الحالات ذات الفوتونات M (M مختلفة عن N) مشابهة لحالات NOON ولكن مع تناقص التداخل حيث أن M أبعد عن N. تجدر الإشارة إلى أنه بمجرد مزج الضوء الكلاسيكي والكمي، ستكون النتيجة دائمًا كمية (مع مستوى معين من التشابك). يتم تحديد نتيجة خلط الضوء الكلاسيكي والكومي الذي يخلق حالات NOON في تجربتنا فقط من خلال إحصائيات الحالات (إحصائيات بواسون وإحصائيات الفراغ المضغوط) وهي مختلفة جدًا ومعقدة عن مدخلات خوارزمية جروبر.
إجابات على R.H. Rafa.im:
من القليل الذي قرأته عن علم الدوران، أود أن أقول إن هذا التأثير لن يسهم في المستقبل القريب في تحسين كاشفات الفوتون. الاتجاه الحالي في كاشفات الفوتون الفردي هو الموصلات الفائقة المبردة التي ستكون قادرة على تمييز أعداد الفوتون التي تتراوح بين 10-20 تقريبًا.
يوجد في النظام البصري في هذه التجربة وضعين ثابتين، فقط من أجل تبسيط الشرح اخترناهما ليكونا مسارين بصريين منفصلين. من الممكن أن نتخيل تقاطع T حيث يمكن للفوتونات التي تصل إليه أن تختار ما إذا كانت ستتجه يسارًا أو يمينًا، حيث يتم إجراء الاختيار العشوائي من جديد عند كل نبضة، على غرار رمي عملة معدنية (شجرة = يسار، بيلي = يمين). وعلى مسافة أبعد من الطريق على اليمين يوجد عنصر الطور البصري الذي يعتمد على الجهد الكهربائي (يمكنك أن تتخيل إشارة مرور يمكنك من خلال جهد متغير اختيار المدة التي ستظل حمراء وتأخير الفوتونات التي تصل إليها بمقدار X ثانية) ). وأخيرًا يلتقي المساران مرة أخرى ويحدث الصراع بين الخيارين (يسارًا أو يمينًا) اللذين اختارتهما الفوتونات.
النقطة المهمة هي أن الأوضاع محددة مسبقًا وأن الفوتونات تعيد اختيار الوضع مع كل نبضة لتتحول إليه/تختار ولا توجد طريقة لمعرفة الوضع الذي اختاروه (لأننا إذا عرفنا فسوف تنهار الدالة الموجية وسيكون هناك فلا يكون الصراع بين خيارين).
السبب وراء اختيارنا في هذه التجربة لاستقطابين مختلفين وليس مسارين مختلفين هو سبب تجريبي، فمن الممكن أيضًا إجراء التجربة باستخدام وضعين وهما مساران بصريان مختلفان.
أورون
شكرًا مرة أخرى على التوضيحات المذهلة والاستثمار!
على الرغم من أن الحيود ظاهرة كلاسيكية، إلا أنني سأحاول شرح الحدس وراء سؤالي
فيما يتعلق بالعلاقة بين حالات عدم اليقين في حالة NOON والحيود.
في رأيي، رياضيًا، الأسئلة المتعلقة بالحالة الكمومية للضوء هي ببساطة أسئلة حول الاتصال
من الأعداد المركبة أو المتجهات. إذا كانت اتجاهات المتجهات عشوائية كما في الضوء الكلاسيكي
لذلك نحصل على تماثل لحركة في حالة سكر (في خطوات N) حيث يكون المتوسط هو الأصل والتوزيع حوله
إنه غاوسي بعرض يشبه جذر N. إذا اخترنا توصيل المتجهات في نفس
الاتجاه أتوقع أن يكون هذا مشابهًا لاتصال المصادر المتماسكة N كما يحدث في الحيود
في الشقوق N. من الناحية العملية، أفترض أن عدد N من الفوتونات المتشابكة سيعطي حالة لعدد بلوخ الذي يصفه أيضًا
الدول النقية.
الارتباط بخوارزمية Grover لا أساس له من الصحة تمامًا وهو محاولة لربط تجربتك
مع خوارزمية الكم. يتم وصف المدخلات في تجربتك من خلال جميع الحالات التي تحتوي على ما يصل إلى فوتونات M. بعض الحالات متشابكة والبعض الآخر ليس كذلك.
قال ن = 5). وهذا هو، من خلال إهمال فك الترابط، يمكنك إجراء عمليات أونتاريو على الفوتونات وقياس حالة تشابك واحدة مع احتمالية عالية، في رأيي، نوع من التناظرية للحساب الكمي. مرة أخرى أعتقد أن الإجابة هنا ولكن السؤال مفقود. وهذا يعني أنه من الممكن، بأثر رجعي، أن تُعزى تجاربك إلى بحث في قاعدة بيانات باستخدام خوارزمية كمومية.
صحيح، للأسف تعلمت أن الكتابة باللغة الإنجليزية والكتابة بقوة لا تنتقل دائمًا من كمبيوتر إلى كمبيوتر. إذا قمت بإدخال كلمة إنجليزية في بعض الأحيان، فإنها تفسد الجملة بأكملها.
على أية حال، أثار المقال ردود فعل كثيرة وهذا يعني أن أبحاث الباحثين من معهد وايزمان ذات أهمية خاصة للعلماء وكذلك للأشخاص الذين لا يأتون من مجال العلوم. وهذا في حد ذاته أمر سعيد للغاية ومهم أيضًا. لأن العلم والتعليم في بلادنا لا يحظى دائمًا بالاهتمام الذي يستحقه، ولا يحصلان دائمًا على الميزانيات المناسبة.
وسؤال آخر، حتى أعرف إذا كنت قد فهمت عليك بشكل صحيح:
هل يتأثر وضع الفوتونات المتشابكة/يعتمد على الوسط (مثل البلورة السائلة التي ذكرتها) التي تتجمع فيها؟
شكرا جزيلا لك
أورون
منذ وقت ليس ببعيد سمعت عن مجال جديد من العلوم يسمى علم الدوران
http://rbni.technion.ac.il/.upload/page23-feb09.pdf
سؤال من باب الفضول - هل ستتمكن هذه الصناعة الجديدة في المستقبل من المساهمة في بناء جهاز يتمتع بحساسية أعلى للضوء من الجهاز الموجود، مما سيساعد في الوصول إلى مستويات أعلى من N؟
أم أنه لا علاقة له بالأمر؟
شكرا على كل حال.
المموج. وللأسف، فإن الأكثر أمانًا هو كتابة القوى بالكلمات (10 أس 50) حتى لا ينعكس أو يختفي شيء. على الرغم من أنني أعلم أنه أمر محرج.
أبي
هناك خطأ مطبعي في المقال - خطأ مطبعي - لأنه عند النقل من كمبيوتر إلى كمبيوتر يتم إلغاء الممتلكات في كثير من الأحيان. في الجملة التي تظهر في المقال:
"إذا تم استخدام مقياس التداخل وتم إعادة تجميع الضوء في الجهاز، فإن عدم اليقين في القياس يكون 1/N نتيجة لذلك مقارنة بـ 1/N1/2 عند استخدام نبضات الفوتون التقليدية."
يجب أن تحتوي جملة واحدة على كسور N لقياس عدم اليقين.
و - أحد الكسور N بقوة 12 عند استخدام نبضات الفوتونات التقليدية.
إذا كان ذلك يساعد شخصًا ما على فهم تفسيرات أورون ... 🙂 ...
وعلى أية حال، فهو أمر مهم للغاية.
ويمكن لأورون أن يشرح لك هذا أفضل مني 🙂 …
الرد على R.H.R.A.M.:
أولًا، تتصرف الفوتونات المتشابكة بشكل مجهري مثل أي فوتون آخر، على سبيل المثال في مرايا النظام البصري والعدسات والألياف. وما زالت جميع قوانين البصريات الهندسية والغاوسية سارية. يكمن الاختلاف في تجمعها بنفس الطريقة (MOD) التي تسبب تجمع الطور السريع وظواهر التشابك الكمي التي لن تحدث مع الفوتونات العادية (غير المتشابكة).
الرد على ايهود:
يعد اكتشاف الفوتونات عملاً معقدًا بعض الشيء. عندما يكون هناك كمية كبيرة من الفوتونات ("كبيرة" يمكن أن تعني أيضًا نانوية تبلغ 9-10 واط أو 10 مليار فوتون في الضوء المرئي)، فلا توجد مشكلة في تحويل تدفق الفوتونات إلى تدفق من الإلكترونات من شأنه أن يخلق تيار قابل للقياس. لكن عندما تحاول قياس فوتون واحد، حتى لو أثار إلكترونًا واحدًا، فإن التيار الذي سيتم إنشاؤه لن يكون قابلاً للقياس. ولذلك، يتم استخدام أجهزة الكشف من نوع APD:
http://en.wikipedia.org/wiki/Single-photon_avalanche_diode
يعتمد مبدأ عملها على حقيقة أن فوتونًا واحدًا يمكنه إنشاء تفاعل متسلسل (مثل انهيار جليدي يبدأ من كرة ثلجية صغيرة) والذي سيؤدي في النهاية إلى توليد تيار كهربائي قابل للقياس عند الخرج.
ومن مميزات هذا النوع من الكاشفات سهولة الاستخدام الناتجة عن العمل بدون تبريد خاص (لا حاجة للنيتروجين السائل) ومستوى ضوضاء منخفض (يمكن أن يصل حتى إلى أقل من 100 حدث في الثانية بالنسبة للإشارة التي تكون عادة عند على الأقل ألف أو مليون)، العيب الرئيسي هو عدم القدرة على التمييز إذا تم الوصول إلى واحد أو أكثر من كاشفات الفوتونات لأن النتيجة عند مخرج الكاشف في جميع الحالات ستكون واحدة وبالتالي للكشف عن N فوتونات يجب تقسيم الشعاع إلى حزم N ذات كثافة متساوية عندما تصل كل حزمة إلى كاشف منفصل.
تجدر الإشارة إلى أن هناك أجهزة كشف يمكنها أيضًا اكتشاف عدد من الفوتونات، أي أنه إذا وصلت فوتونات N إلى الكاشف، فسيكون الإخراج إشارة متناسبة مع N. لكن التكنولوجيا لا تزال غير ناضجة وبعض أجهزة الكشف الحالية تحتاج إلى التبريد بالنيتروجين السائل وتعمل بمعدل منخفض وتعاني من انخفاض كفاءة الكشف في الضوء المرئي. ونظرًا لأنه تم حل هذه المشكلات، فإن هذه الكاشفات ستحل محل كاشفات الفوتون الفردي المعتادة وتسمح باكتشاف عدد كبير من الفوتونات في نفس الوقت.
عندما يكون هناك N فوتونات في نبضة ضوئية واحدة، يجب تقسيم الشعاع إلى N من الحزم ذات كثافة متساوية والتي ستصل إلى N كاشفات منفصلة. من الناحية المثالية، سيصل فوتون واحد إلى كل كاشف في الفترة الزمنية المميزة للنبضة، لذلك إذا كان هناك حدث من "نقرات" N في نفس الوقت في الكاشفات في كل نبضة، فسنعرف أن لدينا N فوتونات. تكمن الحيلة بالطبع في تحديد النافذة الزمنية التي سننظر فيها إلى وصول الفوتونات المختلفة "في وقت واحد" بطريقة بحيث يتم حساب الفوتونات من نفس النبضة فقط وتقليل الضوضاء غير المرغوب فيها.
حتى في مصدر الليزر، وهو مصدر الضوء الأقرب إلى المصدر الكلاسيكي، يمكنك أن ترى أن كل نبضة تحتوي على عدد عشوائي (مع احتمال بواسون) من الفوتونات، وإذا قمنا بعمل رسم بياني لجميع النبضات، يمكننا إعادة إنتاجها بدقة ستكون الإحصائيات بأكملها والمتوسط متناسبة بشكل مباشر مع متوسط شدة ضوء الليزر.
وضع NOON هو الوضع الذي يوجد فيه عدد N من الفوتونات في أحد الوضعين وصفر في الوضع الآخر باحتمال متساوٍ قدره 50%. في هذه التجربة كان الوضعان عبارة عن استقطابين متعامدين يتحركان في نفس المسار البصري عندما كان الطور المضاف إلى أحد الوضعين يعتمد على عنصر بصري (البلور السائل) الذي يضيف طورًا كدالة للجهد الكهربائي فقط إلى مستوى معين الاستقطاب ولا يؤثر على الاستقطاب العمودي عليه. يؤدي استخدام استقطابات مختلفة ونفس المسار البصري إلى استقرار النظام لأنه لا تتم إضافة الضوضاء التي تعتمد على الموضع المكاني (مثل حركات الهواء) بين الوضعين.
تسبب حساسية الطور لأوضاع NOON كدالة لـ N عدم اليقين (وهو الانحراف المعياري للطور) في معرفة انخفاض الطور في النظام كجزء واحد من N على عكس المصدر الكلاسيكي حيث يتناقص عدم اليقين كـ جزء واحد من جذر N (مصدر كلاسيكي مثل الليزر يحتوي على إحصائيات بواسون التي لها خاصية أن الانحراف المعياري يساوي جذر المتوسط، وبالتالي فإن عدم اليقين في عدد الفوتونات يساوي جذر العدد المتوسط من الفوتونات في النبض N).
بقدر ما أعرف لا توجد علاقة بين حساسية الطور لأوضاع NOON وخوارزمية جروفر، وظواهر الحيود هي تأثيرات كلاسيكية لتداخل الموجات الكهرومغناطيسية عندما لا تكون تأثيرات التشابك
ويمكن وصفها بالتوراة الكلاسيكية، وبالتالي لا توجد علاقة بين الحيود والظواهر الكمومية التي تحدث لحالات NOON.
شافوت سعيد للجميع
وهنا مقالات حول هذا الموضوع:
http://www.reuters.com/article/idUSTRE64C4JT20100513
http://www.msnbc.msn.com/id/37138400/ns/technology_and_science-science/
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/328/5980/879
أورون، مرة أخرى، تفسيراتك وصبرك جديران بالثناء حقًا.
ليس لدي أي فكرة عما هو مكتوب هنا. (;_;)
أود أن أفهم المزيد عن هذه القضايا. ربما ستنشر قائمة قراءة لكتب العلوم المشهورة في كل فئة من فئات العلوم؟ قد يكون هذا مثيرًا للاهتمام.
أورون
شكرا مرة أخرى على الإجابات. شكرًا لك إذا وجدت الوقت للإجابة على المزيد من الأسئلة:
لقد كتبت أن الفوتونات ستظهر دائمًا كجسيمات متميزة، وسأكون سعيدًا إذا تمكنت من قول ما يلي:
1. كيف يتم اكتشاف الفوتونات في المختبر. ما هي أجهزة الكشف المستخدمة للكشف عن الفوتونات الفردية؟
2. ماذا يحدث عندما يكون لدي عدد مجهري من الفوتونات في حالة معينة (مماثلة للمكثفات)
(بوز أينشتاين) وهو ما يحدث أيضًا مع الليزر. هل تم اكتشاف الفوتونات في هذه الحالة أيضًا؟
واحدا تلو الآخر أو العمل بشكل جماعي؟
3. أفترض أنك تكتشف التشابك من خلال الارتباطات بين قياسات الفوتونات
في أجهزة كشف محددة. ما هي أوضاع NOON في تجربتك؟ أوضاع الاستقطاب؟أو ببساطة المدارات
في الفضاء؟ لقد واجهت صعوبة في فهم هذا من المقال.
وسؤال أخير قد لا يكون له علاقة بشكل كامل، ولكن قيل في المقال أن الضجيج للفوتونات N
المتشابك يكون 1 مقسومًا على N بينما الضوضاء الخاصة بالفوتونات غير المتشابكة تكون جذرًا
ن. تذكرني هذه الحقيقة بخوارزمية جروبر الكمومية (في الاتجاه المعاكس فقط) للبحث في قاعدة البيانات متى
تمكنت الخوارزمية الكلاسيكية من العثور على البيانات من أجل عمليات البحث N وتبحث الخوارزمية الكمومية عن البيانات
في ترتيب الجذر N. هل هناك علاقة تافهة بين الأشياء؟ ربما تكون هذه الظاهرة مرتبطة أساسًا بالحيود
من خلال صدع واحد أو الشقوق N؟
أورون
لا أعلم إذا تم تنفيذ مثل هذه التجربة أم لا، ومستوى معرفتي في الفيزياء منخفض، لذا أرجو ألا تتعجب من السؤال الذي أطرحه وسأكون سعيداً إذا أمكن التوضيح الأمر بالنسبة لي:
ماذا يحدث للفوتونات المتشابكة عندما تمر عبر وسط ما؟
شكر
الرد على R. H. Rafa.im:
يظل الطول الموجي للفوتونات في النظام كما هو طوال العملية، حتى لو تشابكت واكتسبت طورًا كفوتون واحد سمين.
لذا فإن 5 فوتونات في الأشعة تحت الحمراء القريبة ستكتسب طورًا مثل فوتون واحد في الأشعة فوق البنفسجية (UV)، لكنها لن تحصل على خصائص أخرى للضوء فوق البنفسجي (مثل الامتصاص والقدرة على تسييل الذرات).
إن تغيير الطول الموجي للضوء لا يمكن أن يتم إلا من خلال عملية غير خطية، وتلك قصة أخرى.
فيما يتعلق بأجهزة القياس - فإن إنشاء حالات NOON مع العديد من الفوتونات يقتصر فقط على كفاءة النظام، وبالتالي فإن استخدام أجهزة كشف أفضل ذات كفاءة كشف أعلى لن يؤدي إلا إلى تحسين عامل واحد (وليس مهملاً).
لإنشاء حالات NOON لمئات أو آلاف الفوتونات، يجب أن يكون النظام مثاليًا تقريبًا (كفاءة 100٪ تقريبًا) ولا أرى حدوث ذلك في المستقبل القريب.
الرد على ايهود:
الخسارة هي في الواقع شكل من أشكال فك ترابط الطور، وهي تحدث عندما لا تتمكن الفوتونات من البقاء على قيد الحياة أثناء مرورها عبر النظام (الامتصاص، والتشتت، والانحراف خارج المسار البصري، وما إلى ذلك).
المشكلة الرئيسية في الخسارة هي أنه عندما نحاول، على سبيل المثال، إنشاء NOON مكون من 4 فوتونات، فإن النظام يحتوي أيضًا على 5 حالات فوتون والتي في النظام المثالي لن تتداخل مع قياس الرابع.
ولكن إذا كان هناك فقدان في النظام، فهناك احتمال أن يختفي أحد الفوتونات الخمسة (يترك النظام) وينكشف كحدث لـ 5 فوتونات ولكن بمرحلة غير صحيحة، وبالتالي فإن الخسارة قد خلقت ضوضاء يمكن أن تكون كاملة إخفاء اكتشاف الأحداث المطلوبة.
الطريقة الوحيدة للتغلب على هذه المشكلة هي خفض شدة الضوء في النظام (عندها ستكون فرصة وقوع أحداث ذات ترتيب أعلى من المطلوب ضئيلة)، ولكن هذا سيؤدي أيضًا إلى انخفاض معدل حدث الإشارة المرغوب فيه إلى مستوى غير قابل للقياس.
وفيما يتعلق بسلوك الفوتونات الخمسة مثل فوتون واحد: فإن تشابك الفوتونات لا يرتبط بالطريقة التي نحسب بها أو نكتشف الفوتونات (وهي جسيمات غير متمايزة، أي متطابقة تماما).
ستبقى الفوتونات N وسيتم اكتشافها على أنها فوتونات N بغض النظر عن حالتها الكمومية.
قصدت = قصدت
اسف لخلط الامور
أورون
شكرا مرة أخرى على التوضيح. هل يصح الافتراض أنك عندما تتحدث عن الخسارة فإنك تشير إلى عدم التماسك؟
هل هناك لحن محدد لفك الترابط في هذه الحالة؟ وفقًا لإجابتك أفترض أن فك الترابط هو سمة من سمات المرحلة.
ربما كنت أقصد فقط التسرب من نظام الفوتونات، لذا فعلت ذلك
سؤال آخر غير مكتمل: إذا فهمت بشكل صحيح، فأنت تحسب احتمال فقدان فوتون أو أعلى بقوة عدد الفوتونات، ولكن أليس حالة 5 فوتونات في حالة كمومية واحدة مختلفة وأكثر شبها بحالة الكم؟ فوتون واحد؟
وذلك لأنه ليس لدينا إمكانية حقيقية للتمييز بين الفوتونات المتشابكة.
شكرا لك إذا وجدت الوقت للرد وشكرا مرة أخرى.
أورون
شكرا جزيلا على التوضيحات، فهي أفضل بكثير من المقال نفسه.
لدي عدة أسئلة لك وأكون ممتنا لو تمكنت من الإجابة عليها:
1- عندما تتشابك الفوتونات يزداد طورها هذا ما فهمته، لكن ما سبب عدم قصر الطول الموجي؟ هل لأنها تظهر كفوتون واحد له نفس الطول الموجي للفوتونات المتشابكة؟ لماذا لا تتغير الدالة الموجية للفوتون؟
2- بمساعدة جهاز قياس متطور - مشابه لما تم استخدامه في التجربة، ولكنه أكثر تعقيدًا - هل من الممكن الوصول إلى N لا يقل عن بضع مئات؟ أي هل يمكن أن تصل إمكانات N في حالة NOON إلى مئات أو آلاف؟
شكرا.
للرد 3
أنت ستقع في المشاكل على أية حال، ومن المؤسف أنك ستستمر في الوقوع في المشاكل.
من الواضح أن التطور لا ينجح في علم الأحياء فحسب، بل أيضًا على المستوى الأساسي للطبيعة: في الانتقال من معايير الكم المجهرية إلى معايير النسبية العيانية عن طريق الانتقال من التراكب إلى انهيار الموجة ذات الاحتمال الأقوى. أي أن البقاء للأصلح.
وهذا ما يسمى الداروينية الكمومية
http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_Darwinism
الرد على ايهود:
حتى ظهور المقالة المعنية، كانت الأساليب المستخدمة لإنشاء حالات NOON معقدة للغاية وكانت مخصصة لـ N محدد (N = 2,3) وأنشأت الحالات المرغوبة بكفاءة نظرية منخفضة (وحتى تجريبية أقل)، ولكن في الوقت الحالي من الممكن إنشاء حالات NOON بأي N اعتباطي عندما تقوم فقط بتغيير شدة مصدر الضوء الكمي (على غرار تدوير المقبض) بالنسبة لشدة مصدر الضوء الكلاسيكي (الليزر "العادي" في المختبر) إلى رقم محدد يمكن حسابه بسهولة. وإذا لم يكن مصدر الضوء الكمي قويا بما فيه الكفاية (وهو ما يحدث عادة)، فلا توجد مشكلة، لأنك ببساطة تزيد من شدة الضوء الكلاسيكي بدلا من ذلك.
من الناحية النظرية، يمكنك إنشاء NOON في هذا النظام بقدر ما تستطيع (والذي يقتصر على الكشف من خلال عدد أجهزة الكشف، وهي مكلفة للغاية).
فلماذا توقف مؤلفو المقال عند الخمسة (ويبدو لي أنهم يعرفون أيضًا الأرقام التالية)؟ تحدثت في ردي السابق عن مرحلة اعتاد معظم الناس على التفكير فيها كرقم حقيقي، ولكن في بعض الأحيان يتسلل هناك رقم وهمي (رقم مركب) يمثل التمثيل الرياضي للخسارة (أو الزيادة) . وبالتالي، إذا كانت لدينا خسائر في النظام (وهناك دائمًا خسائر)، فسوف تتراكم أوضاع NOON خسارة أسرع بـ N مرات (أو بشكل أكثر دقة في قوة N أسرع).
الآن في هذا النظام المحدد تصل الكفاءة إلى 12% فقط (وهذا بسبب جميع أنواع القيود المادية والتكنولوجية) لذلك إذا كان لدينا أحداث M تبلغ 5 فوتونات في الثانية في نظام مثالي بدون خسائر، ففي نظام بكفاءة 12% سيكون لدينا 5^0.12*M فقط من الأحداث. تأتي الكفاءة في شكل فرصة للنجاح في اكتشاف فوتون معين. ولهذا السبب توقفوا عند 5 فوتونات.
ولكن إذا كانت الكفاءة في نظام محسّن (وهو أمر ممكن مع الكثير من العمل الشاق والوسائل المتطورة جدًا) ستصل إلى 50٪، فإن المؤلفين يذكرون أنه حتى NOON المكون من 9 فوتونات يمكن إنشاؤه واكتشافه بمعدل معقول. وهذا هو جمال النظام كله، فقط الكفاءة هي التي تحد ولا يوجد عامل آخر.
مايكل
شكرا لك على الرابط المؤدي للمقالة
أورون
شكرا على التوضيح المنير. بالمناسبة، ما الذي يحدد الحد الأقصى لأوضاع N NOON؟ إنه
ما الذي يحد من القدرة على رؤية حالات N الأعلى؟ أعتقد أنها علاقة
إشارة إلى الضوضاء تعني أن عدد الحالات N أعلى من إجمالي جميع الحالات ويصبح أصغر مثل N
يزداد وبالتالي احتمالية الحصول عليها تقل ولكن هل هناك وظيفة بسيطة
الذي يصف الاعتماد على N. بالمقارنة مع الإشارة، ما مصدر الضجيج في التجربة الذي يحد من القدرة على القياس؟
رد على بعض المجاملات... 🙂
يمكن كتابة مقالة إعلامية على عدة مستويات. المقال مشهور يعني بدون مقارنات. ولكن يمكن أن يكون تقرير رويترز شائعًا:
http://www.reuters.com/article/idUSTRE64C4JT20100513
ويمكن أن يكون تقريرًا أكثر تعقيدًا.
المقالة عادة ما تكون بين 800 و 900 كلمة. 1000 كلمة طويلة جدًا بالفعل ولا يملك الناس الصبر لقراءتها. لكتابة مقالة من 800 كلمة في المتوسط، تحتاج إلى قراءة مقالة الباحثين وكذلك قراءة العديد من المقالات الأخرى. وفيما يتعلق بالبصريات الكمومية، فأنا أتعامل مع أسس الفيزياء الحديثة.
بفضل أورون - الشرح رائع بكل بساطة.
فيلم "عند الظهر اليوم" أكثر متعة من المقال بكثير.
سأحاول الإجابة على بعض الأسئلة التي أثيرت هنا من قبل وتوضيح بعض القضايا الأساسية في البصريات الكمومية.
سؤال: ما هو وضع NOON؟
الإجابة: بالطبع لا علاقة لها بالظهيرة، ولكن بالطريقة الرياضية لكتابة الموقف وهي |0>+|0>|n . عندما تكون الفوتونات متساوية الاحتمال في أحد الوضعين (الوضعين) المختلفين للنظام (وفوتون صفر في الوضع الآخر)، عندما يكون الوضعان مكانيين أو استقطابًا مختلفًا، وما إلى ذلك. أوضاع NOON العالية هي ببساطة أوضاع NOON لارتفاع N (5 مرتفع بدرجة كافية ...).
سؤال: لماذا تكتسب الفوتونات الخمسة الطور أسرع بخمس مرات؟
الإجابة: وفقًا لنظرية البصريات الكمومية، تكتسب الفوتونات N الطور N مرات أسرع من الفوتون الواحد. السبب وراء عدم ملاحظة ذلك بالنسبة لمصادر الضوء العيانية هو العدد الكبير والعشوائي للفوتونات التي يتم حساب متوسط الطور الكمي لها (تذكر أنه مقابل واط واحد من الضوء المرئي يوجد حوالي 10 أس 19!). حتى بالنسبة لمصدر الليزر، وهو مصدر الضوء الكمي "الأكثر كلاسيكية"، فإن متوسط الطور الكمي يصل إلى طور قد يجمع فوتونًا واحدًا فقط بسبب متوسط إحصائيات بواسون التي تحدد عدد الفوتونات العشوائية في كل نبضة .
لكن في الحالات الكمومية للضوء حيث يوجد بالضبط N فوتونات (مثل حالات NOON) سنرى تراكم الطور السريع بطريقة تعادل استخدام طول موجي أصغر من N مرات. تجدر الإشارة إلى أن الضوء عند قاعدته يظل بنفس الطول الموجي، وبالتالي فإن 5 فوتونات في الأشعة تحت الحمراء لا تنشر الأشعة فوق البنفسجية حقًا.
تفسير آخر للطبيعة الكمومية الخاصة لحالات NOON هو بمساعدة نسخة مختلفة قليلاً (وتقريبية) من مبدأ عدم اليقين لشرودنجر والذي ينص على أن حالات عدم اليقين في عدد الفوتونات مضروبة في حالات عدم اليقين في الطور أكبر من أو تساوي 1 ( 1=< dN * dPhi ) وبالنسبة لحالات - NOON يكون عدم اليقين في عدد الفوتونات هو الحد الأقصى لأن dN=N وبالتالي فإن عدم اليقين في الطور هو الحد الأدنى وفقًا لنظرية الكم وهو حاجز أقل لأي حالة كمومية وهي واحدة من الأسباب التي تجذب حالات NOON الكثير من الاهتمام. سؤال: فماذا لو القطة؟ الجواب: مرحبا القط.
لقد أجروا جلسة تحضير الأرواح عند الظهر وتمكنوا من خلال الظلال عن بعد من اصطياد قطة سمينة تدعى جادانكين.
أثناء الجلسة كان من المستحيل معرفة ما إذا كان القط على قيد الحياة أو إذا كان واحدًا من أرواحه التسعة، هناك العديد من حالات القط، من خلال فحص طول نبضات الأشعة تحت الحمراء "موجة من الضوء المستلمة منه" تحولت لتكون روحه الخامسة.
إليكم المقال في رابط لا يحتاج إلى موعد
ما هذه المقالة؟! لقد جمعت 3000 مفهوم في سلطة واحدة كبيرة. يجب أن يكون الموضوع مثيرًا للاهتمام للغاية ولكن يبدو أن الكتابة "أوقفت" كل شيء.
رغم كل شيء - أنت الموقع العلمي رقم 1 في العالم!!!!!!!!!!!!
الكتابة في الواقع لا شيء. ويبدو أن الكاتبة ترجمت ما قرأته أو سمعته كلمة كلمة دون أن تفهم بالضبط ما قيل هناك. إذا لم تكن لديك الأدوات اللازمة لشرح البصريات الكمومية المعاصرة، فربما تركز على مجالات أخرى. الكتابة عبارة عن سلطة من الحقائق التي يصعب على القارئ الفاهم (!) متابعتها. بعض الحقائق ليست ذات صلة على الإطلاق للقارئ العادي.
انظر على سبيل المثال الجملة التالية التي استخرجتها من المقال:
"إنها 1/N نتيجة لذلك مقارنة بـ 1/N1/2 باستخدام نبضات الفوتون التقليدية."
ولنترك علاقة "واحد مقسوم على N" التي تظهر بشكل غير صحيح في النص...
الفوتونات التقليدية؟ أريد أن أقول "غير متشابكة"، أو ربما "حالة متماسكة" وما إلى ذلك.
مقياس تداخل Mach-Zehnder - ضع رابطًا إلى ويكيبيديا حتى يفهمه الناس.
http://wapedia.mobi/he/%D7%90%D7%99%D7%A0%D7%98%D7%A8%D7%A4%D7%A8%D7%95%D7%9E%D7%98%D7%A8%D7%99%D7%94
هل هناك تحديث بشأن صحة القطة؟
أوريت، لقد قمت بإعادة كتابة المقال بطريقة أكثر ودية على موقع الويب الخاص بي. هنا:
http://www.notes.co.il/gali/67244.asp
الدكتور. غالي وينشتاين
ربما حاول شرح ما تفهمه
يبدو مربكا
رونيت:
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/328/5980/879
إذا كان لديك إمكانية الوصول إلى العلم.
الدكتور. غالي وينشتاين
قل أنك تفهم ما تكتبه.
ليس من الواضح ما هو الجديد في هذه التجربة وكيف تختلف عن مئات التجارب المماثلة التي تم إجراؤها.
هل من الممكن الارتباط بالمقال الأصلي، ربما سأتمكن من فك شفرته بنفسي
الشرح بكلمات بسيطة ل R.H
أرسلت موجة بيضاء رقيقة تتحرك ثلاثة وأوريري
نأمل أن تكون الكلمات بسيطة بما فيه الكفاية.
هناك أيضًا شرح بكلمات مجردة ولكني لا أريد تعقيد الأمور.
لماذا "يكتسبون الطور بمعدل أسرع بكثير من فوتون واحد له نفس الطول الموجي."؟ ما هو سبب ذلك؟
(إن أمكن، اشرح بكلمات بسيطة)
ممتع