پیشرفت بزرگ در تصویربرداری کوانتومی: فرمول‌بندی جدید دوگانگی موج-ذره

تحول در درک دوگانگی موج-ذره

مکانیک کوانتومی در قرن گذشته، نگاه ما به جهان را دگرگون کرده و دنیایی متناقض را آشکار ساخته است؛ جهانی که در آن ذرات می‌توانند رفتار موجی داشته باشند و حتی مشاهده پدیده‌ها بر نتایج آنها تأثیر می‌گذارد. دانشمندان سال‌هاست که پدیده دوگانگی موج-ذره (Wave-Particle Duality) را مطالعه می‌کنند تا میزان گرایش یک جسم کوانتومی به رفتار موج‌گونه یا ذره‌گونه را اندازه‌گیری کنند.

تیمی از پژوهشگران مؤسسه فناوری استیونز، پیشرفت بزرگی را در این زمینه گزارش کرده‌اند. آنها موفق به استخراج یک فرمول ساده اما دقیق شده‌اند که رابطه ریاضی بین «موج‌بودن» و «ذره‌بودن» یک جسم کوانتومی را با دقت بالا مشخص می‌کند. این مقاله در نشریه Physical Review Research منتشر شده است.

شیائوفنگ چیان، استاد فیزیک در استیونز و نویسنده اصلی این مقاله می‌گوید: «دوگانگی موج-ذره ستون فقرات مکانیک کوانتومی است. پژوهشگران بیش از پنجاه سال تلاش کرده‌اند تا این پدیده را به‌طور کمی تحلیل کنند، اما این نخستین چارچوب کامل برای سنجش دقیق و بهینه‌ی ویژگی‌های موجی و ذره‌ای در سطح کوانتومی است.»

گذر از محدودیت‌های مدل‌های پیشین با مفهوم «هم‌خوانی»

در مدل‌های قبلی، مجموع ویژگی‌های موجی (مانند الگوهای تداخل) و ویژگی‌های ذره‌ای (مانند قابلیت پیش‌بینی مسیر یا مکان) همواره کمتر یا مساوی عدد یک در نظر گرفته می‌شد. این رابطه مهم بود، زیرا اگر جسمی کاملاً موج‌گونه باشد، هیچ ویژگی ذره‌ای از خود نشان نمی‌دهد و بالعکس.

اما این مدل‌ها در توصیف موقعیت‌هایی که ویژگی‌های موجی و ذره‌ای هم‌زمان افزایش می‌یابند، ناتوان بودند. برای حل این مشکل، پژوهشگران مفهوم جدیدی به نام «هم‌خوانی» یا coherence را معرفی کردند.

چیان توضیح می‌دهد: «هم‌خوانی مفهومی دشوار است، اما در واقع نوعی توصیف پنهان از توانایی تداخل موجی است. اگر میزان هم‌خوانی را به‌درستی کمی‌سازی و آن را در کنار معیارهای استاندارد برای موج‌بودن و ذره‌بودن در نظر بگیریم، مجموع آنها دقیقاً برابر با یک خواهد بود.»

افزودن هم‌خوانی به مدل، امکان محاسبه دقیق میزان موج‌بودن و ذره‌بودن را فراهم می‌سازد؛ به‌جای آن‌که صرفاً محدود به جمله «کمتر از یک» باشد. این رابطه ریاضی را می‌توان به‌صورت یک منحنی ظریف روی نمودار ترسیم کرد: در سیستم‌هایی با هم‌خوانی کامل، این منحنی به شکل یک ربع دایره کامل است و با کاهش هم‌خوانی، منحنی به بیضی‌ای مسطح تبدیل می‌شود.

کاربردهای نوین در تصویربرداری کوانتومی

این پیشرفت، علاوه بر ارزش علمی بنیادین، پتانسیل کاربردهای مهمی در حوزه‌های اطلاعات کوانتومی و محاسبات کوانتومی دارد. تیم چیان برای اثبات این قابلیت، نظریه خود را در روش «تصویربرداری کوانتومی با فوتون‌های شناسایی‌نشده» (QIUP) به‌کار گرفت.

در این تکنیک، یک فوتون از یک جفت فوتون درهم‌تنیده برای اسکن شکاف یک جسم به‌کار گرفته می‌شود. اگر فوتون از شکاف بدون برخورد عبور کند، هم‌خوانی بالا باقی می‌ماند؛ اما در صورت برخورد با دیواره، هم‌خوانی به‌شدت کاهش می‌یابد. سپس با اندازه‌گیری موج‌بودن و ذره‌بودن فوتون دیگر (که با فوتون اول درهم‌تنیده است)، پژوهشگران می‌توانستند میزان هم‌خوانی فوتون عبوری را استنتاج کرده و در نتیجه شکل شکاف جسم را بازسازی کنند.

چیان می‌گوید: «این نتایج نشان می‌دهد که ویژگی‌های موجی و ذره‌ای یک جسم کوانتومی می‌تواند به‌عنوان منبعی برای تصویربرداری کوانتومی و همچنین سایر کاربردهای اطلاعاتی و محاسباتی مورد استفاده قرار گیرد.»

مقاومت در برابر نویزهای محیطی

نکته قابل‌توجه آن است که تصویربرداری حتی در حضور عوامل مزاحمی چون تغییرات دما یا لرزش‌ها که موجب افت هم‌خوانی سیستم می‌شوند نیز ممکن باقی می‌ماند. این عوامل به‌صورت یکسان بر موقعیت‌هایی با هم‌خوانی بالا و پایین تأثیر می‌گذارند؛ بنابراین تفاوت بین این دو وضعیت همچنان قابل‌تشخیص است.

چیان توضیح می‌دهد: «اگرچه منحنی بیضی فشرده می‌شود، اما اطلاعات موردنظر از جسم را همچنان می‌توان استخراج کرد.»

او در پایان افزود: «ریاضیات این مدل ساده به نظر می‌رسد، اما هنوز فاصله زیادی با درک کامل شگفتی‌های مکانیک کوانتومی داریم. مسیرهای ناشناخته بسیاری برای کشف باقی مانده‌اند.»