التشابك الكمي يقيس دوران الأرض كما لم يحدث من قبل

حققت تجربة فيزياء الكم في جامعة فيينا دقة رائدة في قياس دوران الأرض باستخدام الفوتونات المتشابكة.

تستخدم الدراسة مقياس تداخل سانياك البصري المحسّن الذي يعزز التشابك الكمي لاكتشاف التأثيرات الدورانية بدقة غير مسبوقة، مما يوفر اختراقات محتملة في كل من ميكانيكا الكم والنسبية العامة.

تجربة الكم الرائدة

أجرى فريق من الباحثين تجربة رائدة حيث قاموا بقياس تأثير دوران الأرض على الفوتونات المتشابكة الكمومية. وقد تم نشر هذا العمل، الذي قاده فيليب فالتر من جامعة فيينا، في المجلة للتو تقدم العلوم. إنه يمثل إنجازًا كبيرًا يدفع بحدود حساسية الدوران في أجهزة الاستشعار القائمة على التشابك، مما يمهد الطريق لمزيد من الاستكشاف عند التقاطع بين ميكانيكا الكم والنسبية العامة.

التقدم في مقاييس التداخل سانياك

تعتبر مقاييس التداخل الضوئية سانياك من أكثر الأجهزة حساسية للدوران. لقد كانت محورية في فهمنا للفيزياء الأساسية منذ السنوات الأولى من القرن الماضي، حيث ساهمت في تأسيس نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين. واليوم، فإن دقتها التي لا مثيل لها تجعلها الأداة المثالية لقياس سرعات الدوران، والتي لا حدود لها إلا بحدود الفيزياء الكلاسيكية.

مقياس تداخل سانياك مصنوع من ألياف بصرية بطول 2 كيلومتر ملفوفة حول إطار من الألومنيوم مربع الجوانب بطول 1.4 متر. الائتمان: رافائيل سيلفستري

التشابك الكمي يعزز الحساسية

إن مقاييس التداخل التي تستخدم التشابك الكمي لديها القدرة على كسر تلك الحدود. في حالة تشابك جسيمين أو أكثر، يتم معرفة الحالة الإجمالية فقط، بينما تظل حالة الجسيم الفردي غير محددة حتى القياس. ويمكن استخدام ذلك للحصول على مزيد من المعلومات لكل قياس مما كان ممكنًا بدونه. ومع ذلك، فإن القفزة الكمية الموعودة في الحساسية قد أعيقت بسبب الطبيعة الدقيقة للغاية للتشابك.

وهنا أحدثت تجربة فيينا الفارق. لقد قاموا ببناء مقياس تداخل Sagnac للألياف الضوئية العملاق وأبقوا الضوضاء منخفضة ومستقرة لعدة ساعات. وقد مكّن هذا من اكتشاف ما يكفي من التشابك عالي الجودة الفوتون أزواج من هذا القبيل تتفوق في الأداء على دقة الدوران لمقاييس التداخل الضوئية الكمومية السابقة سانياك بألف مرة.

تقنيات مبتكرة في قياس الكم

في مقياس تداخل سانياك، يتحرك جسيمان في اتجاهين متعاكسين لمسار مغلق دوار ويصلان إلى نقطة البداية في أوقات مختلفة. مع وجود جسيمين متشابكين، يصبح الأمر مخيفًا: فهم يتصرفون مثل جسيم واحد يختبر كلا الاتجاهين في وقت واحد بينما يتراكم ضعف التأخير مقارنة بالسيناريو الذي لا يوجد فيه تشابك. تُعرف هذه الخاصية الفريدة بالدقة الفائقة. في التجربة الفعلية، كان هناك فوتونان متشابكان ينتشران داخل ألياف ضوئية بطول 2 كيلومتر ملفوفة في ملف ضخم، مما أدى إلى إنشاء مقياس تداخل بمساحة فعالة تزيد عن 700 متر مربع.

التغلب على التحديات في التجارب الكمومية

كانت إحدى العقبات الكبيرة التي واجهها الباحثون هي عزل واستخراج إشارة دوران الأرض الثابتة. يوضح المؤلف الرئيسي رافاييل سيلفستري: “إن جوهر الأمر يكمن في إنشاء نقطة مرجعية لقياساتنا، حيث يظل الضوء غير متأثر بتأثير دوران الأرض. ونظرًا لعدم قدرتنا على إيقاف دوران الأرض، فقد ابتكرنا حلاً بديلاً: تقسيم الألياف الضوئية إلى ملفين متساويين الطول وربطهما عبر مفتاح بصري.

ومن خلال تبديل المفتاح بين التشغيل وإيقاف التشغيل، تمكن الباحثون من إلغاء إشارة الدوران بشكل فعال حسب الرغبة، مما سمح لهم أيضًا بتوسيع استقرار أجهزتهم الكبيرة. يقول سيلفستري: “لقد خدعنا الضوء بشكل أساسي ليعتقد أنه موجود في كون غير دوار”.

تأكيد ميكانيكا الكم والتفاعلات النسبية

التجربة، التي أجريت كجزء من شبكة الأبحاث TURIS التي تستضيفها جامعة فيينا والأكاديمية النمساوية للعلوم، نجحت في ملاحظة تأثير دوران الأرض على حالة الفوتون المتشابكة إلى الحد الأقصى. وهذا يؤكد التفاعل بين الأنظمة المرجعية الدوارة والتشابك الكمي، كما هو موضح في النظرية النسبية الخاصة لأينشتاين وميكانيكا الكم، مع تحسين الدقة ألف مرة مقارنة بالتجارب السابقة.

يقول هاوكون يو، الذي عمل في هذه التجربة بصفته باحثًا في جامعة ماري كوري: “يمثل هذا حدثًا هامًا منذ قرن من أول ملاحظة لدوران الأرض مع الضوء، حيث دخل تشابك الكمات الفردية للضوء أخيرًا إلى نفس أنظمة الحساسية”. زميل ما بعد الدكتوراه.

“أعتقد أن نتائجنا ومنهجيتنا ستمهد الطريق لمزيد من التحسينات في حساسية الدوران لأجهزة الاستشعار القائمة على التشابك. ويضيف فيليب والثر: “قد يفتح هذا الطريق أمام تجارب مستقبلية تختبر سلوك التشابك الكمي عبر منحنيات الزمكان”.

المرجع: “الملاحظة التجريبية لدوران الأرض مع التشابك الكمي” بقلم رافاييل سيلفستري، وهاوكون يو، وتيودور سترومبرج، وكريستوفر هيلويج، وروبرت دبليو بيترسون، وفيليب والثر، 14 يونيو 2024، تقدم العلوم.
دوى: 10.1126/sciadv.ado0215