طريقة

تداخل الساعات الكمومية

استخدام تداخل الفوتونات لقياس الزمن أو التأثيرات الجاذبية بدقة كمومية.
10 مقالات ذات صلة · 3 صيغ

الوصف

تداخل الساعات الكمومية هو تقنية تستخدم الطبيعة الموجية للفوتونات لقياس الزمن أو التأثيرات الجاذبية بدقة استثنائية. بدلاً من مجرد عد النبضات، تستغل هذه الساعات حقيقة أن الفوتون يمكنه السفر عبر مسارات متعددة في وقت واحد والتداخل مع نفسه. نمط التداخل حساس للغاية لأي فرق في الزمن الذي يقضيه الفوتون على كل مسار، بما في ذلك تمدد الزمن الطفيف الناتج عن الجاذبية.

كيف يعمل

يُرسل فوتون واحد إلى مقياس تداخل، حيث يقوم مقسم شعاع بتوجيهه على طول مسارين مختلفين. تُرتب المسارات بحيث تتعرض لإمكانات جاذبية أو أزمنة عبور مختلفة قليلاً. عندما يعيد الفوتون دمجه مع نفسه، يتحول نمط التداخل بناءً على فرق الزمن بين المسارين. بقياس هذا التحول، يمكن استنتاج تمدد الزمن الجاذبي أو مزامنة ساعات بعيدة بدقة محدودة بالكم.

في التطبيق

يمكن أن يؤدي هذا النهج إلى ساعات محمولة فائقة الدقة لأقمار GPS الصناعية، وكاشفات موجات الجاذبية، واختبارات الفيزياء الأساسية، مثل قياس كيفية تأثير الجاذبية على التراكبات الكمومية.

حقيقة طريفة

يمكن استخدام فوتون واحد لقياس تمدد الزمن الجاذبي عبر فرق ارتفاع يبلغ بضعة سنتيمترات فقط.

Concept graph →

صيغ

$$t \propto N^{-1/2}$$
Measurement time scales inversely with square root of particle number.
ما في الصيغة
tمتغيرMeasurement time — زمن second
NمتغيرNumber of particles or events — عدد الجسيمات
\proptoمؤثرIndicates proportional relationship — تناسب
t\propton^{-1/2} · 2601.05118
$$S_E = \int L_E d\tau$$
Action in Euclidean time for path integral weighting.
ما في الصيغة
S_EمتغيرEuclidean action — فعل joule second
L_EمتغيرEuclidean Lagrangian — لاغرانجيان joule
τمتغيرEuclidean time — زمن second
∫مؤثرIntegration over Euclidean time — مؤثر تكاملي
dτمؤثرInfinitesimal time element — differential element
s_e=2π^2\intdτ(-3a\dot{a}^2+\frac{1}{2}a^3\dot{φ}^2-3a+a^3v(φ)+\frac{q_a^2}{a^3}+\frac{q_m^2}{a}) · 2605.10548v1
$$g^{(2)}(\tau) = \frac{\langle \hat{a}^\dagger(\tau) \hat{a}^\dagger(\tau+\Delta\tau) \hat{a}(\tau+\Delta\tau) \hat{a}(\tau) \rangle}{\langle \hat{a}^\dagger \hat{a} \rangle^2}$$
Measures intensity correlations and photon statistics.
ما في الصيغة
g^(2)متغيرSecond-order correlation function — second order correlation function
τمتغيرTime argument — زمن second
ΔτمتغيرTime delay — زمن second
â†(τ)متغيرCreation operator at time τ — creation operator
â(τ)متغيرAnnihilation operator at time τ — annihilation operator
⟨...⟩مؤثرQuantum mechanical expectation value — expectation value
g^{(2)}_c(τ,τ+δτ)=\frac{\langle\hat{c}^\dagger(τ)\hat{c}^\dagger(τ+δτ)\hat{c}(τ+δτ)\hat{c}(τ)\rangle}{\langle\hat{c}^\dagger\hat{c}\rangle^2}=1+\frac{σ_c^2-\bar · 2607.15964v1

مقالات ذات صلة · 10

مفتاح الميكروثانية للساعات الذرية
الساعات الذرية التقليدية تشبه شوكة رنانة يجب إمساكها في صمت تام وسكون. أدنى حركة تجعل النغمة غير مستقرة. وكذلك الأمر مع الذرات: حركتها الحرارية تزيح تردد الإشعاع، والساعات فائقة الدقة تتطلب شبه توقف تام للجسيمات. هذا أمر صعب ومكلف وضخم.
الضوء تحت السيطرة: فوتونات أحادية الاتجاه بدون مغناطيس
الضوء بطبيعته متناظر: في القناة المفتوحة، يتدفق في كلا الاتجاهين بالتساوي. لدفعه في اتجاه واحد، غالبًا ما يستخدم الفيزيائيون المغناطيس. نهج جديد يستغني عنها، باستخدام الدوران — بسرعة تكفي لقرص فينيل — وتداخل ذرّتين. يغيّر الدوران «حدّة» الضوء للاتجاهات المختلفة — مثلما تعتمد نغمة صفارة الإنذار على ما إذا كانت السيارة تقترب أم تبتعد.
نوى الذرات تقيس الجاذبية
الساعة ليست مجرد عقارب. فكل نواة ذرية هي بندول إيقاعي طبيعي: تهتز بانتظام شبه مثالي. إذا رُفعت إحدى هذه البندولات الإيقاعية بضعة أمتار، فسيتسارع إيقاعها قليلاً — وهذا هو انحناء الزمن الذي تنبأ به أينشتاين.
ضوضاء تنتحل صفة الجاذبية
في سماعات الرأس التي نستمع من خلالها إلى أوركسترا بعيدة، يحدث أحيانًا فرقعة. قد تكون هذه الفرقعة عالية جدًا لدرجة أنها تطغى على الموسيقى أو حتى تندمج معها.
مسارات كمية في بُعدين
شعاع ليزر يضرب ذرة، فينطلق الإلكترون من مكانه. يتسارع، ثم يعود، وعند اصطدامه بالذرة يصدر ومضة ضوء — توافقية (harmonic). إذا كان هناك شعاعان متقاطعان كملتقى طرق، يمكن للإلكترون أن يختار مسارات مختلفة. في التجربة الجديدة، كان للشعاعين قوة متقاربة واتجاها متعامدًا. عندها تصبح مسارات الإلكترون ثنائية الأبعاد، ويصبح تداخلها مرئيًا.
فوتونات مفردة بسرعة 2.5 مليار في الثانية
الضوء في الألياف البصرية هو تدفق من الفوتونات، وللاتصالات الكمومية نحتاج فوتونات مفردة يمكن إرسالها واحدًا تلو الآخر. لكن جعلها تنطلق بسرعة وتكون في نفس الوقت غير قابلة للتمييز عن بعضها البعض مهمة صعبة. في العمل الجديد، أخذ الفيزيائيون نقطة كمومية شبه موصلة - بلورة صغيرة تعمل كمصيدة للإلكترونات - ووضعوها في مرنان دقيق.
مزامنة الساعات بضوء خافت
ساعتان في غرفتين مختلفتين يجب أن تدقا بنفس الإيقاع. عادةً، يتم إرسال نبضات ساطعة أو أزواج من الفوتونات تصل الواحدة تلو الأخرى بدقة. لكن الإشارة قد تكون ضعيفة جدًا لدرجة أن الفوتونات بالكاد تصل. في هذا العمل، تمت مزامنة الساعتين بضوء أضعف بمليار مرة من الضوء العادي. التحليل الطيفي ليس له علاقة هنا، لكن الزمن مرتبط بالضوء مباشرة.
فوتونات توأم في تجويف ضوئي
داخل تجويف مرآوي صغير، أصغر من سمك الشعرة، يُحبس الضوء وينعكس مرارًا عن الجدران. إذا وُضعت فيه مادة قادرة على امتصاص الضوء وإصداره، تبدأ جسيمات الضوء (الفوتونات) في «الارتداء» بإثارات المادة — وهكذا تولد أنماط بولاريتونية (polaritonic modes). عادةً ما يهيمن على هذا التجويف ضوء متماسك ساطع، يشبه شعاع ليزر قوي.
ساعات كمية تعتمد على الفوتونات ترصد تمدد الزمن بفعل الجاذبية
الزمن ليس مطلقًا: فبالقرب من الأجسام الضخمة، يسير الزمن بشكل أبطأ. هذا التأثير، وهو تمدد الزمن بفعل الجاذبية، هو نتيجة مباشرة للنظرية النسبية العامة لأينشتاين .
مسطرة من الضوء: كيف نقيس البيكو ثوانٍ باستخدام الدقة الترددية
مسطرة من الضوء، هكذا يمكن تسمية الطريقة الجديدة لقياس التأخيرات الزمنية المتناهية الصغر. في عام 1987، لاحظ تشونغ كي هونغ وتشي-يو أوو وليونارد ماندل أنه إذا سقط فوتونان لا يمكن تمييزهما في وقت واحد على مقسم شعاع، فإنهما يخرجان معًا دائمًا من منفذ واحد.