حسگرهای کوانتومی؛ چشم دقیق زیردریایی‌ها در اعماق بدون GPS

محققان پروتکل حسگری را با استفاده از حرکت ارتعاشی کوچک یک یون به دام افتاده - معادل کوانتومی یک آونگ - پیاده‌سازی کردند.

کد خبر: ۱۳۰۹۵۴۰

شنبه - ۰۵ مهر ۱۴۰۴ / September 27, 2025

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، دانشمندان در حال تغییر شکل عدم قطعیت کوانتومی هستند تا از محدودیت اعمال شده توسط اصل عدم قطعیت معروف هایزنبرگ عبور کنند.

این کار در‌هایی را برای توسعه حسگر‌های کوانتومی فوق‌العاده دقیق می‌گشاید که می‌توانند ناوبری را در محیط‌هایی که GPS کار نمی‌کند، مانند زیردریایی‌ها، زیرزمین یا پرواز‌های فضایی، دقیق‌تر کنند. این می‌تواند به بهبود تصویربرداری بیولوژیکی و پزشکی؛ نظارت بر مواد و سیستم‌های گرانشی؛ یا کاوش فیزیک بنیادی کمک کند.

اصل عدم قطعیت هایزنبرگ که در سال ۱۹۲۷ معرفی شد، نتیجه‌ای است که می‌تواند زیربنای فناوری حسگر‌های فوق‌العاده دقیق آینده باشد که در ناوبری، پزشکی و نجوم مورد استفاده قرار می‌گیرند.

عدم قطعیت کوانتومی اجتناب‌ناپذیر

دکتر تینگری تان از موسسه نانو و دانشکده فیزیک دانشگاه سیدنی گفت: «عدم قطعیت را مانند هوای داخل یک بادکنک در نظر بگیرید. نمی‌توانید آن را بدون ترکاندن بادکنک خارج کنید، اما می‌توانید آن را فشار دهید تا جابجا شود.

«این عملاً کاری است که ما انجام داده‌ایم. ما عدم قطعیت کوانتومی اجتناب‌ناپذیر را به جا‌هایی که برای ما مهم نیست (پرش‌های بزرگ و درشت در موقعیت و تکانه) منتقل می‌کنیم تا جزئیات دقیقی که برای ما مهم هستند، با دقت بیشتری اندازه‌گیری شوند.»

عدم قطعیت هایزنبرگ می‌گوید که شما نمی‌توانید جفت‌های خاصی از ویژگی‌ها - مانند موقعیت و تکانه یک ذره - را با دقت نامحدود به طور همزمان بدانید. به عبارت دیگر، همیشه یک بده‌بستان در عدم قطعیت وجود دارد: هرچه یک ویژگی دقیق‌تر مشخص شود، قطعیت کمتری در مورد دیگری وجود دارد.

فیزیکدانان از قیاس ساعت برای توضیح یافته‌های خود استفاده کردند

فیزیکدانان همچنین از تشبیه ساعت برای توضیح یافته‌های خود استفاده کردند. یک ساعت معمولی با دو عقربه را در نظر بگیرید: عقربه ساعت‌شمار و عقربه دقیقه‌شمار. حال تصور کنید که ساعت فقط یک عقربه دارد. اگر عقربه ساعت‌شمار باشد، می‌توانید بگویید ساعت چند است و تقریباً چند دقیقه است، اما به گفته محققان، خواندن دقیقه بسیار نادرست خواهد بود.

اگر ساعت فقط عقربه دقیقه‌شمار داشته باشد، می‌توانید دقیقه را بسیار دقیق بخوانید، اما از زمینه بزرگتر - به طور خاص، ساعتی که در آن هستید - غافل می‌شوید. طبق یک بیانیه مطبوعاتی، این اندازه‌گیری «مدولار» برخی از اطلاعات کلی را در ازای جزئیات بسیار دقیق‌تر قربانی می‌کند. دکتر کریستوف والاهو، نویسنده اول مقاله از تیم آزمایشگاه کنترل کوانتومی در دانشگاه سیدنی، گفت: «با اعمال این استراتژی در سیستم‌های کوانتومی، می‌توانیم تغییرات در موقعیت و تکانه یک ذره را بسیار دقیق‌تر اندازه‌گیری کنیم. ما اطلاعات کلی را از دست می‌دهیم، اما توانایی تشخیص تغییرات کوچک را با حساسیت بی‌سابقه‌ای به دست می‌آوریم.»

محققان فاش کردند که پروتکل حسگری را با استفاده از حرکت ارتعاشی کوچک یک یون به دام افتاده - معادل کوانتومی یک آونگ - پیاده‌سازی کرده‌اند. آنها یون را در "حالت‌های شبکه‌ای" آماده کردند، نوعی حالت کوانتومی که در ابتدا برای محاسبات کوانتومی تصحیح خطا توسعه داده شده بود. با این کار، آنها نشان دادند که هم موقعیت و هم تکانه را می‌توان با دقتی فراتر از "حد کوانتومی استاندارد" - بهترین حد قابل دستیابی تنها با استفاده از حسگر‌های کلاسیک - اندازه‌گیری کرد.

اگرچه این آزمایش هنوز در مرحله آزمایشگاهی است، اما چارچوب جدیدی را برای فناوری‌های حسگری آینده که با هدف اندازه‌گیری سیگنال‌های کوچک طراحی شده‌اند، نشان می‌دهد. طبق این بیانیه، این آزمایش به جای جایگزینی رویکرد‌های موجود، یک ابزار مکمل به جعبه ابزار حسگری کوانتومی اضافه می‌کند.