دست‌یابی به درهم‌تنیدگی کوانتومی ماکروسکوپی در دمای اتاق

در فیزیک کوانتومی، ایجاد یک حالت محصور در هر ذره بزرگتر و پیچیده‌تر از فوتون‌ها نیازمند دماهای نزدیک به صفر مطلق و کاربرد میدان‌های مغناطیسی بسیار قدرتمند است. به‌تازگی دانشمندان با استفاده از هسته‌های اتمی و میدان‌های مغناطیسی نسبتاً کوچک، موفق به ایجاد

به گزارش سایت فناوری های همگرا، هنگامی‌که دو ذره همچون فوتون محصور می‌شوند ( یعنی، وقتی‌که  به صورت فیزیکی با یکدیگر برهمکنش می‌کنند و سپس از یکدیگر جدا می‌شوند)، جهت اسپین در فوتون‌ها متضاد یکدیگر می‌شود. هنگامی که یکی از این ذرات محصور که دارای جهت اسپین مشخص است، ذره دیگر صرف‌نظر از اینکه در چه فاصله‌ای قرار دارد، فوراً جهت اسپین معکوس را نمایش می‌دهد. این پدیده «عمل شبح‌وار در یک فاصله» است ( انیشتین این نام را بر آن نهاده است) که در حال حاضر به نظر می‌رسد در کاربردهایی که زمانی علمی تخیلی تصور می‌شدند، همچون رمزنگاری با امنیت بالا و محاسبات کوانتومی استفاده می‌شوند.
معمولاً، درهم‌تنیدگی کوانتومی به‌ندرت در طبیعت مشاهده می‌شود؛ زیرا قبل از اینکه ذرات به این طریق با همدیگر جفت شوند و محصور گردند، باید در یک حالت بسیار بانظم قرار گیرند. از آنجایی‌که آنتروپی ترمودینامیک بیان می‌کند که آشفتگی کلی ذرات، حالت استاندارد در مقیاس اتمی است، درنتیجه چنین درهم‌تنیدگی‌هایی بسیار نادر است. با رفتن به مقیاس ماکرو و درنظر گرفتن تعداد ذرات درگیر، دست‌یابی به چنین درهم‌تنیدگی‌هایی بسیار مشکلتر خواهد بود.
کلیموف ، دانشجوی تحصیلات تکمیلی موسسه مهندسی مولکولی، می‌گوید:«جهان ماکروسکوپی که ما از آن استفاده می‌کنیم بسیار مرتب و منظم به‌نظر می‌رسد، اما کاملاً در مقیاس اتمی نامنظم است. قوانین ترمودینامیک به‌طور کلی مانع مشاهده قوانین کوانتومی در اشیاء ماکروسکوپی می‌شوند.»
در آزمایشات استاندارد درهم‌تنیدگی کوانتومی در مقیاس زیراتمی، به‌عنوان مثال فوتون‌ها با انرژی بسیار بالا با استفاده از لیزر تولید می‌شوند و در ادامه از یک بلور غیرخطی عبور می‌کنند. اکثر فوتون‌ها به‌صورت آزادانه از بلور عبور می‌کنند، درحالیکه برخی از آن‌ها تحت پدیده‌ای که SPDS نامیده می‌شود، قرار می‌گیرند. به عبارت ساده، یک فوتون پر انرژی، به دو فوتون با انرژی پایین‌تر شکافته می‌شود. به عنوان یک نتیجه از این SPDC، دو فوتون به دلیل اینکه از یک ذره ایجاد شده‌اند، یک محیط محصور با اسپین متضاد ایجاد می‌کنند.
در سطح ماکروسکوپی، این اتفاقات این چنین ساده نیستند و گردآوری ذرات در یک حالت کوانتومی به‌ویژه در جامدات و مایعات بسیار مشکل است، زیرا غلبه بر واهمدوسی کوانتومی نیازمند استفاده از دماهای بسیار پایین (℃۲۷۰- ) و میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی ( ۱۰۰۰ برابر قوی‌تر از آهن‌رباهای یخچال‌های معمولی) است. این الزامات حرکات اتمی را نزدیک به صفر می‌کنند و هرکدام از آن‌ها واهمدوسی را کاهش می‌دهند. برای دست‌یابی به یک کاربرد عملی از درهم‌تنیدگی ذرات ماکروسکوپی و برای بهبود ابزارهای الکترونیکی کوانتومی در دماهای معمولی، محققان به دنبال یک روش متفاوت برای رفع این مشکل هستند. با استفاده از یک لیزر مادون قرمز، محققان حالت‌های مغناطیسی هزاران الکترون و هسته را هم‌محور می‌کنند و در ادامه با بمباران آن‌ها توسط پالس‌های الکترومغناطیسی کوتاه، در‌هم‌تنیده می‌شوند، درست همانند تصویربرداری رزنانس مغناطیسی (MRI) استاندارد. در نتیجه، جفت‌های درهم‌تنیده بسیار زیادی از الکترون‌ها و هسته‌ها در یک محوطه معادل با اندازه و حجم یک گلبول قرمز بر روی یک نیمه‌هادی کاربید سیلیس (SiC) ایجاد می‌شوند.
آسکالوم ، دانشمند آزمایشگاه ملی Argonne، می‌گوید:« ما می‌دانیم که حالت‌های اسپین هسته‌های اتمی مرتبط با نقص‌های نیمه‌هادی، دارای خصوصیات کوانتومی عالی در دمای اتاق هستند. این حالت‌های کوانتومی با استفاده از ابزارهای فوتونیک و الکترونیک، با طول عمر بالا و قابل کنترل هستند. با استفاده از این تکه‌های کوانتومی به‌نظر می‌رسد که هدف ایجاد حالت‌های کوانتوم درهم‌تنیده قابل دسترس است.»
حسگرهای کوانتومی ممکن است در آینده نزدیک برای بهبود حد حساسیت در حسگرهای غیرکوانتومی کنونی استفاده شوند. از آنجایی‌که درهم‌تنیدگی در دماهای معمولی انجام می‌گیرد و ابزار SiC از لحاظ بیولوژیکی بی‌اثر است، بنابراین اندازه‌گیری درون یک بخش زنده از کاربردهای بالقوه این روش است. فالک، نویسنده همکار مقاله، می‌گوید:« حسگرهای تصویربرداری رزونانس مغناطیسی تقویت‌شده با درهم‌تندیگی که کاربردهای زیست‌پزشکی مهمی دارند، بسیار هیجان‌انگیز هستند.» صرف‌نظر از کاربردهای معمول در ارتباط ایمن و پردازش اطلاعات و انتقال اطلاعات با حداقل اشتباه، گروه تحقیقاتی اعتقاد دارد که دیگر فناوری‌ها همچون همزمان سازی قرارگیری جهانی ماهواره‌ها می‌تواند از این کشف بزرگ سود کنند.