بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله یکی از طرحهاي آزمایشی خلق برهمنهی مزوزکپی بررسی میشود، که در آن برهمنهی مزوزکپی حالتهاي کوانتمی شامل تابشهاي میدان با فازهاي کلاسیکی متمایز خلق میشود و ناهمدوسی تدریجی مشاهده میگردد. یک اتم دایروي ریدبرگ که در برهمنهی دو ویژه حالت زمینه و برانگیخته محیا شده است، درون یک کاواك با میدان همدوس تولید شده توسط فوتونها برهمکنش میکند و این برهمکنش باعث یک شیفت فازي در میدان میشود. به اینوسیله می توان یک برهمنهی "گربهي شرودینگر" از دو حالت متمایز ایجاد کرد. پدیدهي ناهمدوسی این برهمنهی را به یک مخلوط آماري تبدیل میکند. به کمک فرستادن اتم دوم درون چیدمان و با استفاده از خصیصهي همبستگی کوانتمی بین دو اتم میتوان ناهمدوسی تدریجی را مشاهده نمود.
مقدمه
گزار بین دنیاي میکروسکپی و ماکروسکپی یک مسئلهي اصلی در تئوري اندزهگیري کوانتمی است [1] و عدم وجود برهمهاينهی کوانتمی در سطح کلاسیکی، مشکل دیرینهي مکانیک کوانتمی بودهاست. در دنیاي کوانتمی، یک ذره میتواند در دو حالت متمایز در یک زمان باشد، یک اسپین میتواند هم زمان در دو جهت متفاوت باشد، ولی در دنیاي ماکروسکپی مشاهدهي اینچنین برهمنهیهایی غیر ممکن بودهاست.هنگامی که اصل برهمنهی براي سیستمهاي مرکب بهکار بردهشد، به مفهوم اساسی درهم تنیدگی منجر گردید. برطبق پیش بینیهاي تئوري کوانتمی، با اتصال یک سیستم میکروسکپی به سیستم ماکروسکپی - یا مزوزکپی - خصیصههاي کوانتمی، مانند برهمنهی دو حالت متمایز، بایستی قابل انتقال به اشیاء کلاسیکی اطراف ما باشند.
شرودینگر این مشکل را در متناقض نماي معروف گربهاش ارائهکرد. در این متناقضنما، به واسطهي تعبیر تئوري کوانتمی، گربه میتواند هم زمان در دو حالت متمایز "مرده" و"زنده" بودن، باشد .[2] با این تشبیه برهمنهیهاي کوانتمی ماکروسکپی یا مزوزکپی اغلب "گربههاي شرودینگر" نامیده میشوند.در تئوريهاي جدید به نقش محیط در حل این متناقضنما بسیار تکیه شدهاست. سیستم ماکروسکپی با یک منبع بزرگ با درجات آزادي زیاد متصل شدهاست. در مدلهاي واقع بینانه این جفتشدگی، برهمنهیهاي کوانتمی را بهسرعت محو می کند و سیستم "ناهمدوسیده" میشود. این "ناهمدوسی" برهمنهی را به مخلوط آماري تبدیل میکند و با بزرگتر شدن اندازه ي سیستم به شکل فزایندهاي افزایش مییابد .[3]
تا اواسط دههي 1990 ناهمدوسی به طور عمده به صورت تئوري بررسی می شد؛ اما از سال 1996 تاکنون چندین آزمایش که در آنها دینامیک ناهمدسی نشان دادهمیشود، انجام شدهاست. چنین آزمایشهایی ما را قادر میکنند که به طور مستقیم چگونگی گزار کوانتم به کلاسیک را مشاهده کنیم. میتوانیم مشاهده کنیم که ناهمدسی چگونه خصیصههاي کوانتمی را محو می کند و شی مورد نظر به محدوه کلاسیکی وارد میشود، حتی ممکن است همدوسی کوانتمی بتواند بازگردانده شود. بنابرین نشان داده میشود که گزار کوانتم به کلاسیک یک فرایند دوطرفه است. در این مقاله به شرح چگونگی ایجاد یک برهمنهی مزوزکپی کوانتمی و مشاهدهي عمل تدریجی ناهمدوسی روي آن در یکی از این آزمایشها میپردازیم.
تئوري آزمایش
مکانیسم این آزمایش مشابه با اندیشه اساسی شرودینگر در پارادوکس گربهاشفاناست، که به وسیلهي طرح اندازهگیري نویمن توصیف میشود. اگر سیستم میکروسکپی S با ویژهحالات
s1 و s2در یک برهمنهی از دو ویژه حالت آن،که ai ها ویژه حالتهاي سیستم A در این برهم کنش هستند.بنابرین اکنون سیستم مزوزکپی ترکیبیحالتSA به وسیله ي نجوم و کیهانشناسی برهمنهیاصل براي تولید یک برهمنهی کوانتمی استفاده کردند و یک حالت برهمنهی مزوزکپی از میدان هاي تابشی با فازهايخلقمتمایز کردند، سپس چگونگی تخریب این برهمنهی به وسیلهي ناهمدوسی را مشاهده نمودند 5] ،.[4عقیده اساسی این آزمایش به این صورت است که یک اتم دربرهمنهی دو ویژه حالت آماده میشود و با یک کاواك شامل حالت همدوس برهمکنش میکند. اگر اتم در حالتباشد، حالت همدوس شیفت فازي را به خود میگیرد ، و اگر اتم در حالت باشد اتفاقی نمیافتد. بنابرین حاصل این برهمکنش به صورت زیر است. حالت همدوس شامل حدود ده فوتون و شیفت فازي از مرتبه است.
خلق برهمنهی مزوزکپی
در این آزمایش از یک اتم دایروي ریدبرگ با عدد کوانتمی بزرگ و یک سري سهکاواکی مشابه چیدمان شکل1 استفاده میشود. اتم روبیدیم براي این آزمایش مناسب است .[6]یک اتم روبیدیم ازمنبع - کوره - با سرعتیثانیهحدود 400 متر برتابش می کند و در مسیر خود از سه کاواكR1 ، C و R2عبور میکند.براي مثال فرض میشود اتم ابتدا در حالت است. کاواك یک پالس بافرکانس مساوي با فرکانس گزار اتمی به اتم وارد میکند و بنابرین یک حالت برهمنهی با فاز 0 خلق میکند. پس از خروج از R1 ، اتم وارد کاواك C میشود که داراي فاکتور کیفیت بالایی است. این کاواك از دو آینه ي نیئوبیم کاملا صیقلی روبروي هم با فاصله ي 3سانتیمتر ساخته شدهاست. در اینجا برهمکنش اتم و میدان شکل میگیرد. نقش گربه را یک میدان تولیدشده از چند فوتون اندوختهشده در کاواك بازي میکند.فوتونها به وسیله ي یک منبع موج میلیمتري جفت شده به کاواك به وسیلهي موجبر ساخته میشوند.
به محض اینکه حدود 10فوتون اندوخته شدند، منبع خاموش میشود. جفتشدگی با محیط - و بنابراین اتلاف - به وسیلهي سرد کردن چیدمان 0/6 - کلوین - کمینه میشود، به عبارت دیگر در این دما نیئوبیم ابررسانا میشود.فوتونها 160 میکروثانیه قبل از اینکه توسط آینهها به بیرون پراکنده شوند عمر میکنند. میتوان فرکانس میدان را نزدیک 51گیگاهرتز با حرکت اندك آینه ها کوك کرد. هنگامی که اتم وارد کاوك C میشود، مثل یک تکه کوچکالکتریکاز ماده دي شفاف عمل میکند، بنابراین یک اثر اتلافی کوچک روي میدانمیگذارد که قابل چشمپوشی است. هنگامی که مولفهي e ازحالت اتم با میدان برهمکنش میکند، باعث یک شیفت فازي به اندازهي روي حالت همدوس میشود و این حالت را به تبدیل مینماید. شیفت فازي براي زمانی که اتم درحالت باشدقابل چشم پوشی است.بنایرین در اینحالت، حالت همدوس تغییري نمیکند. بنابرین حالت ترکیبی اتم- میدان با تابع زیر توصیف میشود.
