Gravitational time dilation in quantum clock interferometry with entangled multi-photon states and quantum memories
تقترح هذه الورقة مقياس تداخل لساعة كمومية مدعومة بالذاكرة باستخدام حالات متعددة الفوتونات متشابكة ترددياً لتضخيم آثار تمدد الزمن الثقالي، مما يثبت أن التجارب المختبرية القريبة المعتمدة على الذاكرات الكمومية الحالية يمكنها رصد ديناميكيات التشابك الناتجة عن فروق ارتفاع لا تتجاوز بضعة أمتار.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
غالبًا ما تُعتبر الجاذبية قوة تسحب الأجسام إلى الأسفل، ولكن في مجال النسبية العامة لأينشتاين، هي أيضًا قوة تُبطئ مرور الزمن. فكلما كنت أعمق في مجال جاذبية، تباطأ معدل دقات ساعتك مقارنة بشخص آخر في مكان أعلى. هذه الظاهرة، المعروفة باسم التمدد الزمني الثقالي، قد تم تأكيدها مرات عديدة باستخدام الساعات الذرية الدقيقة. ومع ذلك، برز سؤال جديد: هل يؤثر هذا التباطؤ في الزمن على القواعد الغريبة والدقيقة لميكانيكا الكم؟ وتحديدًا، إذا تصرف نظام كمي كأنه ساعة ووُضع في حالة تراكب بين ارتفاعين مختلفين، فهل يتسبب الفرق في الزمن الذي يمر عند هذين الارتفاعين في فقدان النظام الكمي لخصائصه الخاصة؟ إن الإجابة على هذا السؤال أمر بالغ الأهمية لأنه يستقصي الحدود بين فيزياء الأجسام الكبيرة جدًا، التي تحكمها الجاذبية، وفيزياء الأجسام الصغيرة جدًا، التي تحكم الذرات والضوء.
اقترح فريق من الباحثين طريقة لاختبار ذلك باستخدام الضوء والذاكرات الكمية. في دراستهم، يصفون إعدادًا يتم فيه تقسيم نوع خاص من الضوء، المكون من فوتونات متشابكة، وتخزينه في مكانين مختلفين بارتفاعين مختلفين؛ حيث يكون أحد المكانين أعلى قليلاً من الآخر. وبسبب الجاذبية، يمر الوقت بمعدلات مختلفة قليًا في هذين الموقعين. يوضح الباحثون أن هذا الاختلاف في الزمن يخلق إزاحة طفيفة في الحالة الكمية للضوء. وعند استعادة الضوء وجمعه مرة أخرى، يتسبب هذا التغيير في تداخل موجات الضوء مع بعضها البعض بنمط محدد. ويتغير هذا النمط اعتمادًا على مدة تخزين الضوء والمسافة الفاصلة بين الارتفاعين. ومن خلال قياس هذا النمط، يمكن للعلماء اكتشاف تأثير الجاذبية على التشابك الكمي.
يتضمن جوهر التجربة جهازًا يسمى الذاكرة الكمية، والذي يعمل مثل القرص الصلب للضوء. عادةً ما ينطلق الضوء عبر الفضاء بسرعات هائلة، مما يجعل من الصعب تثبيته لفترة كافية ليحدث تأثير ملموس للجاذبية. ولحل هذه المشكلة، يستخدم الباحثون الذاكرات الكمية لحجز الضوء في شكل اهتزازات جماعية داخل الذرات. ويقترحون تخزين الضوء في ذاكرتين منفصلتين، إحداهما تقع فوق الأخرى. يتم إعداد الضوء في حالة يتواجد فيها في تراكب بين لونين مختلفين من الترددات؛ ففي جزء من هذا التراكب، ينتقل ضوء ذو لون معين إلى الذاكرة الأعلى، بينما ينزل اللون الآخر إلى الذاكرة الأدنى. وفي الجزء الآخر من التراكب، يتم تبديل المسارات. ولأن الذاكرات تقع على ارتفاعات مختلفة، فإن الزمن الذي يختبره الضوء في الذاكرة العليا يختلف قليلًا عن الزمن في الذاكرة الدنيا.
عند تحرير الضوء من الذاكرات وإعادة دمجه، تتداخل المسارات المزدوجة. فلو لم يكن هناك فرق في الزمن، لتداخل الضوء بطريقة يمكن التنبؤ بها. ومع ذلك، فإن التمدد الزمني الثقالي يُدخل إزاحة في الطور، وهي نوع من التأخر، بين المسارين. وهذا التأخر يتسبب في تغيير نمط التداخل. ووجد الباحثون أنه من خلال استخدام مجموعات من الفوتونات المتشابكة بدلاً من مجرد أزواج فردية، يمكنهم جعل هذا التأثير أقوى بكثير. وتحديدًا، إذا استخدموا مجموعة مكونة من (N) من أزواج الفوتونات، فإن الإشارة تتغير بسرعة أكبر (N) من المرات مما لو كانت زوجًا واحدًا. وهذا يعني أن التجربة تصبح أكثر حساسية، مما يسمح لهم باكتشاف تأثير الجاذبية عبر مسافات أقصر أو أوقات تخزين أقصر مما كان يُعتقد سابقًا.
وتشير الدراسة إلى أنه باستخدام التكنولوجيا الحالية، مثل الذاكرات الكمية القائمة على ذرات الروبيديوم أو السيزيوم، يمكن ملاحظة هذا التأثير في بيئة مختبرية بفرق ارتفاع يتراوح بين 20 إلى 75 مترًا فقط. وإذا استخدموا ذاكرات أكثر تقدمًا تعتمد على أيونات العناصر الأرضية النادرة، فيمكن تقليص فرق الارتفاع المطلوب إلى بضعة أمتار فقط. وسيحتاج الضوء إلى التخزين لمدة تقل عن ثانية واحدة إلى بضع ثوانٍ. وهذا يمثل انخفاضًا كبيرًا عن المقترحات السابقة التي كانت تتطلب أجهزة تداخل تمتد لعشرات الكيلومترات. كما يوضح الباحثون أن الإشارة تظل مرئية حتى لو لم تكن الذاكرات الكمية فعالة بشكل مثالي، وهو قيد واقعي للتجارب الحالية.
يشير هذا العمل إلى أننا على وشك القدرة على ملاحظة كيف تؤثر الجاذبية مباشرة على التشابك الكمي في بيئة مختبرية محكومة. فمن خلال استخدام الذاكرات الكمية لإبقاء الضوء في مكانه واستخدام حالات الفوتونات المتعددة المتشابكة لتضخيم الإشارة، حدد الباحثون مسارًا عمليًا للمضي قدمًا. وتشير النتائج إلى أن انهيار وانتعاش نمط التداخل، المدفوع باختلاف الزمن الذاتي، يمكن قياسه باستخدام المعدات الموجودة حاليًا. وهذا من شأنه أن يوفر بصمة تشغيلية مباشرة لكيفية تأثير التمدد الزمني على الأنظمة الكمية، مما يقدم طريقة جديدة لاستكشاف التفاعل بين الجرذية وميكانيكا الكم دون الحاجة إلى بناء هياكل ضخمة وغير عملية. وتؤكد الدراسة أن ظروف المختبر القريبة كافية لمشاهدة هذه الديناميكيات، مما يمثل خطوة نحو فهم كيفية تفاعل نسيج الزمكان مع العالم الكمي.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.