به گزارش ایسنا، پژوهشگران آمریکایی نشان داده‌اند که چگونه می‌توان از درهم‌تنیدگی کوانتومی برای تشخیص سیگنال‌های نوری منتشرشده از منابع نجومی در سطح تک فوتون استفاده کرد. 

به نقل از فیز، یک گروه پژوهشی به سرپرستی «پیتر-یان استاس»(Pieter-Jan Stas) در «دانشگاه هاروارد»(Harvard University) نشان داده‌اند که چگونه می‌توان سیگنال‌های نوری بسیار ضعیف را در یک لینک فیبر نوری به طول بیش از ۱.۵ کیلومتر تشخیص داد. این کار احتمالاً راه را برای تلسکوپ‌های نوری با وضوح بی‌سابقه هموار می‌کند.

تداخل‌سنجی اغلب در نجوم برای تولید تصاویر با وضوح بالا از اجرام دوردست استفاده می‌شود. این روش با ترکیب نور جمع‌آوری‌شده در شبکه‌هایی متشکل از آشکارسازهای فضایی مجزا می‌تواند به وضوحی قابل مقایسه با وضوح یک تلسکوپ با قطری معادل فاصله بین آنها دست یابد. 

در تلسکوپ‌هایی مانند «تلسکوپ افق رویداد»(Event Horizon Telescope) که قاره‌ها را پوشش می‌دهند، از این روش برای ثبت اولین عکس مستقیم از یک سیاه‌چاله «مسیه ۸۷»(Messier 87) در سال ۲۰۱۹ استفاده شد.

در این مثال معروف، سیگنال‌های رادیویی از سیاه‌چاله به طور هم‌زمان در فواصل هزاران کیلومتری جمع‌آوری شدند. با وجود این، برای نور مرئی یا فروسرخ، سیگنال‌ها در سطح فوتون‌های منفرد شناسایی می‌شوند. برای بازیابی اطلاعات فاز مورد نیاز تداخل‌سنجی، فوتون‌های جمع‌آوری‌شده توسط تلسکوپ‌های گوناگون باید به صورت فیزیکی ترکیب شوند و در یک مکان اندازه‌گیری مرکزی تداخل پیدا کنند. نکته مهم این است که سیستم باید هرگونه اطلاعاتی را درباره این که کدام تلسکوپ هر فوتون را شناسایی کرده، پنهان کند.

اگرچه این روش قوی است، اما به انتقال فوتون‌ها در فواصل طولانی نیاز دارد. از آنجا که اطلاعات به سرعت با حرکت فوتون‌ها از بین می‌روند، شبکه‌های تداخل‌سنج نوری معمولاً به خطوط پایه حدود ۳۰۰ متر محدود می‌شوند که وضوح آنها را به شدت محدود می‌کند.

در سال ۲۰۱۲، «دنیل گاتسمن»(Daniel Gottesman) نظریه‌پرداز «موسسه فناوری کالیفرنیا»(Caltech) این نظریه را مطرح کرد که این محدوده می‌تواند با کمک درهم‌تنیدگی کوانتومی گسترش یابد. اگر دو یا چند آشکارساز در یک حالت کوانتومی درهم‌تنیده سهیم شوند، یک فوتون ورودی می‌تواند بدون نیاز به انتقال فیزیکی به یک آشکارساز مرکزی، با آن حالت مشترک تعامل داشته باشد. با وجود این، تولید و توزیع درهم‌تنیدگی با نرخ‌های مورد نیاز در عمل بسیار چالش‌برانگیز بوده است.

گروه استاس در پژوهش خود، نسخه‌ای عملی از این ایده را با استفاده از حافظه‌های کوانتومی مبتنی بر مراکز سیلیکونی تعبیه‌شده در نانوحفره‌های الماس پیاده‌سازی کردند. این نقص‌ها در شبکه الماس می‌توانند اطلاعات کوانتومی را برای دوره‌های نسبتاً طولانی ذخیره کنند.

با ایجاد درهم‌تنیدگی از راه دور بین دو مورد از این حافظه‌ها که در ایستگاه‌های جداگانه‌ای قرار دارند و توسط فیبر نوری به هم متصل شده‌اند، سیگنال‌های نوری ضعیفی که به ایستگاه‌ها می‌رسند، می‌توانند روی حافظه‌های درهم‌تنیده قرار بگیرند. این سیستم از آشکارسازی فوتون غیرمحلی برای تأیید شناسایی فوتون هنگام فیلتر کردن نویز پس‌زمینه استفاده کرد.

این مراحل در کنار یکدیگر به پژوهشگران امکان دادند تا فاز تفاضلی نور ورودی ضعیف بین دو ایستگاه را اندازه‌گیری کنند. در آزمایش آنها، ایستگاه‌ها تا ۱.۵۵ کیلومتر از هم جدا شدند. این بسیار طولانی‌تر از خطوط پایه‌ای است که معمولاً در تداخل‌سنجی نوری امروزی استفاده می‌شوند.

در حال حاضر هنوز راه درازی در پیش است تا این روش را بتوان در نجوم به صورت عملی پیاده‌سازی کرد. از آنجا که درهم‌تنیدگی فقط با سرعت محدودی می‌تواند ایجاد شود، گروه استاس توانستند داده‌ها را تنها در حدود ۱۲ میلی‌هرتز جمع‌آوری کنند. علاوه بر این، رویدادهای تشخیص نادرست، سطح نویز را هنگامی که تعداد فوتون‌ها بسیار کم بود، افزایش دادند. با وجود این، این آزمایش نشان می‌دهد که اجزای اصلی تداخل‌سنجی به کمک درهم‌تنیدگی می‌توانند در عمل با هم کار کنند.

پژوهشگران امیدوارند که با پیشرفت در تولید درهم‌تنیدگی، روش آنها در نهایت بتواند سطح جدیدی از روش‌های تصویربرداری کوانتومی را فعال کند و در نهایت به پیشرفت‌های جدید در نجوم نوری و ارتباطات اعماق فضا بیانجامد.

این پژوهش در مجله «Nature» به چاپ رسید.

انتهای پیام