فیزیکدانها شکل جدیدی از نور را تولید کردند
محققان دانشگاه MIT، دانشگاه هاروارد و چند دانشگاه دیگر، نشان دادند که فوتونها می توانند با یکدیگر برهم کنش کنند. این درواقع تحقیقی است که می تواند مسیرهای جدیدی را به منظور استفاده از فوتونها در محاسبات کوانتومی معرفی کند.
اگر دو چراغ قوه را در یک اتاق تاریک روشن نماییم، مشاهده می کنیم که نور آنها از یکدیگر عبور می کند، این نتیجه در حالیکه در آن هیچ پدیده عجیبی رخ نداده است، نشان دهنده این است که فوتونها که نور چراغ قوه را تشکیل می دهند با یکدیگر برهمکنش نداشته اند و همانند روح از هم عبور می کنند. در صورتی که ذرات نور همانند اتمهای مواد می توانستند بر یکدیگر اثر و جاذبه و دافعه داشته باشند، آنگاه چه اتفاقی رخ می داد: یک رویداد علمی-تخیلی اتفاق می افتاد؛ مثلاً شمشیری از نور که دیگر پرتوهای نور را جذب و دفع می کند یا دو پرتو نور که با یکدیگر ادغام می شوند.
به نظر می رسد این نوع رفتارهای اپتیکی (عدم برهمکنش فوتونها) نشان دهنده این است که قوانین فیزیک باید مقداری تغییر یابند ولی دانشمندان دانشگاه MIT، دانشگاه هاروارد و چند دانشگاه دیگر نشان دادند که فوتونها برهمکنش دارند هرچند اگر فوتونها به عنوان شمشیر استفاده نمی شوند ولی می توانند در محاسبات کوانتومی کاربرد داشته باشند.
در تحقیقی که در ژورنال science چاپ شده است، تیمی که توسط ولادان ولتیک Vladan Vuletic از دانشگاه ام آی تی و پروفسور میخائیل لوکین Mikhail Lukin از دانشگاه هاروارد هدایت می شوند، مشاهده برهم کنش گروههای سه فوتونی را گزارش دادند. آنها نشان دادند که این فوتونها در حقیقت به همدیگر چسبیده اند و فرم جدیدی از مواد فوتونیکی را شکل می دهند. در این آزمایش کنترل شده، نشان داده شد که وقتی پرتوهای خیلی ضعیف لیزر به ابر چگالیده ای از اتمهای روبیدیم فوق سرد تابیده شود به طور تصادفی و با احتمال بیشتر از خروج تک فوتون، فوتونهایی که بصورت جفت و در حالت سه گانه هستند، خارج خواهند شد و این نشانه نوعی برهم کنش است.
درحالیکه فوتونها جرم ندارند و سرعت آنها 3 هزار کیلومتر در ثانیه است، محققان یافتند که جرم فوتونهای مقید معادل با ضریبی از جرم الکترون است. سرعت این ذرات فوتونی جدید دارای وزن، نسبتاً کند است و حدود صد هزار مرتبه کمتر از فوتونهای غیر برهم کنشی است.
ولتیک معتقد است برهم کنش فوتونهای مجزا، رویای دهه های طولانی است درحالیکه نتایج این تحقیق نشاندهنده برهم کنش فوتونها و یا درهم تنیده بودن آنهاست. اگر فوتونها با روشهای دیگری نیز برهم کنش کنند می توانند برای انجام سریع محاسبات کوانتومی بسیار پیچیده استفاده شوند.
ولتیک و لوکین که راهبری مرکز اتمهای فوق سرد ام آی تی-هاروارد را برعهده دارند، در جستجوی راه حلهای تئوری و آزمایشگاهی برای ترغیب برهمکنش فوتونها با یکدیگر بودند. در سال ۲۰۱۳ این پروژه از نظر مالی تأمین شد و تیم برای اولین بار برهمکنش جفت فوتونها و مقید بودن آنها را مشاهده کردند به عبارتی حالت جدیدی از ماده را خلق کردند. آنها در تحقیق جدیدشان در جستجوی این سوال بودند که آیا وجود این نوع برهمکنش در بیش از دو فوتون نیز ممکن است. ولتیک در این راستا می گوید که برای مثال می توان مولکولهای اکسیژن را ترکیب کرد و O2 و O3 را تشکیل داد اما O4 را نمی توان تشکیل داد و یا حتی برخی از مولکولها نیز نمی توان به صورت ۳ ذره ای داشت. بنابراین باید فوتونهای بیشتری برای تولید سیستمهای بزرگتر بررسی می شد.
برای یافتن پاسخ، از همان روش آزمایش که برای مشاهده برهمکنش دو فوتونی طراحی شده بود، استفاده شد. آزمایش با سرد کردن ابر اتمی روبیدیم تا حد یک میلیونیم درجه بالای صفر کلوین آغاز شد. سرد شدن باعث خواهد شد تا اتمها تقریباً به حالت سکون در بیایند. سپس به این اتمهای ثابت، پرتو بسیار ضعیفی از لیزر تابیده شد به نحوی که در هر لحظه از زمان، تنها چند فوتون در ابر اتمی وجود دارند. سپس فوتونهای خروجی از سمت دیگر ابر اتمی را اندازه می گیرند. در این تحقیق آنها یافتند که فوتونها به صورت جفت و یا سه تایی خارج می شوند و احتمال خروج آنها بسیار بیشتر از خروج تک فوتون است که هیچ تأثیری بر همریگر ندارند. این گروه علاوه بر تعداد فوتونها، فاز آنها را نیز قبل و بعد از ورود به ابر اتمی اندازه گرفتند. هر چقدر فوتونها بیشتر برهمکنش داشته باشند، فاز آنها بیشتر تغییر می کند و آنها بیشتر به هم مقید می شوند. این گروه مشاهده کردند که ذرات سه فوتونی که خارج می شوند، فازشان نسبت به حالتی که هیچ برهمکنشی ندارند در همان زمان تغییر می کند و این تغییر سه برابر بزرگتر از تغییر فاز دو فوتونی است.
محققان دانشگاه MIT، دانشگاه هاروارد و چند دانشگاه دیگر، نشان دادند که فوتونها می توانند با یکدیگر برهم کنش کنند. این درواقع تحقیقی است که می تواند مسیرهای جدیدی را به منظور استفاده از فوتونها در محاسبات کوانتومی معرفی کند.
اگر دو چراغ قوه را در یک اتاق تاریک روشن نماییم، مشاهده می کنیم که نور آنها از یکدیگر عبور می کند، این نتیجه در حالیکه در آن هیچ پدیده عجیبی رخ نداده است، نشان دهنده این است که فوتونها که نور چراغ قوه را تشکیل می دهند با یکدیگر برهمکنش نداشته اند و همانند روح از هم عبور می کنند. در صورتی که ذرات نور همانند اتمهای مواد می توانستند بر یکدیگر اثر و جاذبه و دافعه داشته باشند، آنگاه چه اتفاقی رخ می داد: یک رویداد علمی-تخیلی اتفاق می افتاد؛ مثلاً شمشیری از نور که دیگر پرتوهای نور را جذب و دفع می کند یا دو پرتو نور که با یکدیگر ادغام می شوند.
به نظر می رسد این نوع رفتارهای اپتیکی (عدم برهمکنش فوتونها) نشان دهنده این است که قوانین فیزیک باید مقداری تغییر یابند ولی دانشمندان دانشگاه MIT، دانشگاه هاروارد و چند دانشگاه دیگر نشان دادند که فوتونها برهمکنش دارند هرچند اگر فوتونها به عنوان شمشیر استفاده نمی شوند ولی می توانند در محاسبات کوانتومی کاربرد داشته باشند.
در تحقیقی که در ژورنال science چاپ شده است، تیمی که توسط ولادان ولتیک Vladan Vuletic از دانشگاه ام آی تی و پروفسور میخائیل لوکین Mikhail Lukin از دانشگاه هاروارد هدایت می شوند، مشاهده برهم کنش گروههای سه فوتونی را گزارش دادند. آنها نشان دادند که این فوتونها در حقیقت به همدیگر چسبیده اند و فرم جدیدی از مواد فوتونیکی را شکل می دهند. در این آزمایش کنترل شده، نشان داده شد که وقتی پرتوهای خیلی ضعیف لیزر به ابر چگالیده ای از اتمهای روبیدیم فوق سرد تابیده شود به طور تصادفی و با احتمال بیشتر از خروج تک فوتون، فوتونهایی که بصورت جفت و در حالت سه گانه هستند، خارج خواهند شد و این نشانه نوعی برهم کنش است.
درحالیکه فوتونها جرم ندارند و سرعت آنها 3 هزار کیلومتر در ثانیه است، محققان یافتند که جرم فوتونهای مقید معادل با ضریبی از جرم الکترون است. سرعت این ذرات فوتونی جدید دارای وزن، نسبتاً کند است و حدود صد هزار مرتبه کمتر از فوتونهای غیر برهم کنشی است.
ولتیک معتقد است برهم کنش فوتونهای مجزا، رویای دهه های طولانی است درحالیکه نتایج این تحقیق نشاندهنده برهم کنش فوتونها و یا درهم تنیده بودن آنهاست. اگر فوتونها با روشهای دیگری نیز برهم کنش کنند می توانند برای انجام سریع محاسبات کوانتومی بسیار پیچیده استفاده شوند.
ولتیک و لوکین که راهبری مرکز اتمهای فوق سرد ام آی تی-هاروارد را برعهده دارند، در جستجوی راه حلهای تئوری و آزمایشگاهی برای ترغیب برهمکنش فوتونها با یکدیگر بودند. در سال ۲۰۱۳ این پروژه از نظر مالی تأمین شد و تیم برای اولین بار برهمکنش جفت فوتونها و مقید بودن آنها را مشاهده کردند به عبارتی حالت جدیدی از ماده را خلق کردند. آنها در تحقیق جدیدشان در جستجوی این سوال بودند که آیا وجود این نوع برهمکنش در بیش از دو فوتون نیز ممکن است. ولتیک در این راستا می گوید که برای مثال می توان مولکولهای اکسیژن را ترکیب کرد و O2 و O3 را تشکیل داد اما O4 را نمی توان تشکیل داد و یا حتی برخی از مولکولها نیز نمی توان به صورت ۳ ذره ای داشت. بنابراین باید فوتونهای بیشتری برای تولید سیستمهای بزرگتر بررسی می شد.
برای یافتن پاسخ، از همان روش آزمایش که برای مشاهده برهمکنش دو فوتونی طراحی شده بود، استفاده شد. آزمایش با سرد کردن ابر اتمی روبیدیم تا حد یک میلیونیم درجه بالای صفر کلوین آغاز شد. سرد شدن باعث خواهد شد تا اتمها تقریباً به حالت سکون در بیایند. سپس به این اتمهای ثابت، پرتو بسیار ضعیفی از لیزر تابیده شد به نحوی که در هر لحظه از زمان، تنها چند فوتون در ابر اتمی وجود دارند. سپس فوتونهای خروجی از سمت دیگر ابر اتمی را اندازه می گیرند. در این تحقیق آنها یافتند که فوتونها به صورت جفت و یا سه تایی خارج می شوند و احتمال خروج آنها بسیار بیشتر از خروج تک فوتون است که هیچ تأثیری بر همریگر ندارند. این گروه علاوه بر تعداد فوتونها، فاز آنها را نیز قبل و بعد از ورود به ابر اتمی اندازه گرفتند. هر چقدر فوتونها بیشتر برهمکنش داشته باشند، فاز آنها بیشتر تغییر می کند و آنها بیشتر به هم مقید می شوند. این گروه مشاهده کردند که ذرات سه فوتونی که خارج می شوند، فازشان نسبت به حالتی که هیچ برهمکنشی ندارند در همان زمان تغییر می کند و این تغییر سه برابر بزرگتر از تغییر فاز دو فوتونی است.