فیزیکدانان رابطه علت و معلولی را در مقیاس کوانتومی معکوس کردند

در دستاوردی شگفت‌انگیز که مرزهای میان فیزیک کلاسیک و قلمرو ذرات بنیادی را به چالش می‌کشد، پژوهشگران توانسته‌اند با بهره‌گیری از اصل برهم‌نهی، یکی از قوانین پایه‌ای طبیعت را به نفع درک عمیق‌تر کیهان بازنویسی کنند.

به گزارش فرارو به نقل از پاپیولر مکانیکس،گروهی بین‌المللی از فیزیکدانان موفق به ثبت پدیده‌ای خارق‌العاده شده‌اند: هدایت انرژی گرمایی از یک محفظه خنک‌تر به سمت محفظه‌ای گرم‌تر؛ رویدادی که دقیقاً در نقطه مقابل جریان معمول گرما در طبیعت قرار دارد. این دستاورد علمی که نتایج آن در ژورنال معتبر «فیزیکال ریویو لترز» منتشر شده، به کمک یکی از شگفت‌انگیزترین ویژگی‌های مکانیک کوانتومی، یعنی «برهم‌نهی»، محقق شده است.

در حالت برهم‌نهی، یک سامانه می‌تواند به‌طور هم‌زمان در دو وضعیت متفاوت زیست کند. همین پدیده وضعیتی پویا تحت عنوان «نظم علّی نامعین» (ICO) پدید می‌آورد. در این چارچوب، عاملی پنهان بدون آگاهی قطعی از محتویات مخازن یا تشخیص سرد و گرم بودن سویه‌ها، بر هر دو اثر می‌گذارد. پژوهش‌هایی از این دست گامی بنیادین در جهت نزدیک‌تر ساختن مکانیک کوانتومی و فیزیک کلاسیک به یک نظریه واحد برای گرانش به شمار می‌روند.

برای تجسم این ساختار می‌توان به آزمایش فکری مشهور «شیطانک ماکسول» اشاره کرد. تصور کنید دو محفظه گاز در کنار یکدیگر قرار دارند و پرده‌ای نفوذپذیر آن‌ها را از هم جدا کرده است. اگر عاملی هوشمند کنار این دیواره بایستد، ذرات سرد را به سمت محفظه گرم هدایت کند و هم‌زمان جلوی ورود ذرات گرم به بخش سرد را بگیرد، جهت طبیعی انتقال حرارت معکوس خواهد شد.

محاسبات دقیق ریاضی نشان می‌دهند برای جلوگیری از نقض قانون دوم ترمودینامیک، حافظه این عامل ناظر باید هر از گاهی کاملاً پاک شود تا میزان آنتروپی یا بی‌نظمی کل سیستم بازسازی گردد. در فیزیک نوین، چنین عاملی در قالب یک «سوئیچ کوانتومی» پیاده‌سازی می‌شود؛ ابزاری که امکان تعیین یا انتخاب مسیر علّی را از طریق یک کیوبیت فراهم می‌سازد. بر خلاف سوئیچ‌های کلاسیک در محاسبات رایانه‌ای مرسوم که صرفاً در قالب صفر یا یک خاموش و روشن می‌شوند، یک کلید کوانتومی از قابلیت برهم‌نهی هم‌زمان صفر و یک بهره می‌برد و پتانسیل پردازشی بسیار بالاتری را رقم می‌زند.

پژوهشگران برای تبدیل این نظریات ریاضی به واقعیت ملموس آزمایشگاهی، پرتوهای نوری را به کار گرفتند. آن‌ها با تقسیم یک باریکه نور، اصل برهم‌نهی را در عمل بازآفرینی کردند و دو زیرشاخه پرتو را متناسب با ترتیب دو مخزن ذرات تنظیم نمودند. آزمون‌های عملی با دقتی چشمگیر و تطابق آماری فراتر از ۹۹ درصد با پیش‌بینی‌های نظری به سرانجام رسید.

به گفته محققان، نسخه متکی بر سوئیچ کوانتومی از انعطاف‌پذیری فوق‌العاده‌ای برای کاربرد در سامانه‌های «فوتونیک در فضای آزاد» برخوردار است؛ شرایطی که در آن پرتوهای نور به جای حرکت درون کابل‌های فیبر نوری، در فضای باز جریان می‌یابند. حذف نیاز به واسطه‌های فیزیکی متراکم این امکان را فراهم می‌آورد تا بتوان باریکه‌های کوانتومی را در فواصل طولانی و بدون تحمیل هزینه‌های سنگین کابل‌کشی هدایت کرد؛ دستاوردی که درهای نوینی را به سوی تحول ارتباطات داده‌ای و انتقال انرژی در آینده خواهد گشود.