صورت التجربة إسقاطًا تداخليًا من ألياف تشاجناك داخل مدخل المكبر بدءًا من الموقع المحلي للأرض الدوارة (فيينا، النمسا). يسقط فوتونان لا يمكن تمييزهما على مكعب مقسم الأشعة، مما يؤدي إلى حدوث تشابك بينهما ثم يتم اقترانهما بمقياس تداخل الألياف. الائتمان: ماركو دي فيتا
حققت تجربة فيزياء الكم بجامعة فيينا دقة مذهلة في قياس دوران الأرض باستخدام الفوتونات المتشابكة.
تستخدم الدراسة مقياس تداخل تشاجناك البصري المحسّن الذي يعمل على تحسين التشابك الكمي لاكتشاف التأثيرات الدورانية بدقة غير مسبوقة، مما يوفر تطورات محتملة في كل من ميكانيكا الكم والنسبية العامة.
تجربة كمية رائدة
أجرى فريق من الباحثين تجربة رائدة لقياس تأثير دوران الأرض على الفوتونات المتشابكة الكمومية. العمل الذي قاده فيليب فالتر من جامعة فيينا، يُنشر الآن في الصحافة التقدم العلمي. يمثل هذا إنجازًا كبيرًا في دفع حدود الاستشعار الدوراني 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 أجهزة حساسة للغاية للدوران. لقد لعبوا دورًا مهمًا في فهمنا للفيزياء الأساسية منذ السنوات الأولى من القرن الماضي، حيث ساهموا في تأسيس نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين. واليوم، فإن دقتها التي لا مثيل لها تجعلها الأداة المثالية لقياس سرعات الدوران التي لا حدود لها إلا بحدود الفيزياء الكلاسيكية.
يتكون مقياس تداخل سانياك من ألياف ضوئية بطول 2 كيلومتر ملفوفة حول إطار من الألومنيوم بمساحة 1.4 متر مربع. الائتمان: رافائيل سيلفستري
التشابك الكمي يحسن الحساسية
تمتلك مقاييس التداخل التي تستخدم التشابك الكمي القدرة على كسر تلك الحدود. إذا تشابك جسيمان أو أكثر، فلا يُعرف سوى الموقع الإجمالي، بينما يظل موضع الجسيمات الفردية غير محدد حتى يتم قياسه. ويمكن استخدامه للحصول على مزيد من المعلومات للقياس مما كان ممكنًا بدونه. ومع ذلك، فإن هذه القفزة الكمية الواعدة في مجال الحساسية تعرقلت بسبب الطبيعة الدقيقة للغاية للمشكلة.
وهنا أحدث اختبار فيينا الفارق. لقد قاموا ببناء مقياس تداخل Sagnac للألياف الضوئية العملاق وأبقوا الضوضاء منخفضة ومستقرة لساعات. وقد ساعد هذا في العثور على مشكلة عالية الجودة بما فيه الكفاية الفوتون وتتجاوز هذه الأزواج الدقة الدورانية لمقاييس تداخل تشاجناك الضوئية الكمومية السابقة بألف مرة.
تقنيات مبتكرة في قياس الكم
في مقياس تداخل سانياك، يتحرك جسيمان في اتجاهين متعاكسين على طول مسار مغلق دوار ويصلان إلى نقطة البداية في أوقات مختلفة. مع وجود جسيمين متشابكين، يكون الأمر مخيفًا: فهم يتصرفون مثل جسيم واحد يختبر كلا الاتجاهين في وقت واحد بينما يتراكم ضعف التأخير مقارنة بحالة عدم التشابك. تسمى هذه الخاصية الفريدة بالدقة الفائقة. وفي التجربة الفعلية، انتشر فوتونان متشابكان عبر ألياف ضوئية طولها 2 كيلومتر، ملفوفين في ملف كبير، وتم استشعارهما بواسطة مقياس تداخل بمساحة 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 رافائيل سيلفستري: “الهدف من هذه المسألة هو إنشاء نقطة مرجعية لقياساتنا حيث لا يتأثر الضوء بتأثير دوران الأرض”. ونظرًا لاستحالة إيقاف دوران الأرض، فقد ابتكرنا حلاً: تقسيم الألياف الضوئية إلى ملفين متساويين في الطول وربطهما عبر مفتاح ضوئي.
من خلال تشغيل وإيقاف المفتاح، تمكن الباحثون من إلغاء إشارة الدوران بشكل فعال حسب الرغبة، مما سمح لهم بتوسيع استقرار أداتهم الكبيرة. يقول سيلفستري: “لقد خدعنا الضوء بشكل أساسي ليعتقد أنه موجود في كون غير دوار”.
تأكيد ميكانيكا الكم والنسبية
نجحت التجربة، التي أجريت كجزء من TURIS، وهي شبكة بحثية تديرها جامعة فيينا والأكاديمية النمساوية للعلوم، في الكشف عن تأثير دوران الأرض على حالة الفوتون القصوى المتشابكة. وهو يؤكد العلاقة بين الأنظمة المرجعية الدوارة والتشابك الكمي، كما هو موضح في النظرية النسبية الخاصة لأينشتاين وميكانيكا الكم، مع تحسن في الدقة ألف مرة مقارنة بالتجارب السابقة.
يقول هاكون يو، الذي عمل في التجربة باسم ماري كوري: “يمثل هذا معلمًا هامًا، فبعد مرور قرن على مراقبة دوران الأرض بالضوء لأول مرة، دخلت مشكلة الكميات المنفصلة من الضوء أخيرًا إلى نفس الأنظمة الحساسة”. وهو طبيب دراسات عليا.
يقول فيليب والتر: “أعتقد أن نتائجنا وطريقتنا ستضع الأساس لمزيد من التحسينات في الحساسية الدورانية لأجهزة الاستشعار القائمة على التشابك. وسوف تفتح الطريق أمام تجارب مستقبلية تختبر سلوك التشابك الكمي من خلال انحناء الزمكان”.
المرجع: رافائيل سيلفستري، هوكين يو، ثيودور سترومبرج، كريستوفر هيلويك، روبرت دبليو. بيترسون وفيليب والثر، “الملاحظة التجريبية لدوران الأرض مع التشابك الكمي”، 14 يونيو 2024. التقدم العلمي.
دوى: 10.1126/sciadv.ado0215