מעבר לעיקרון אי הוודאות: מדענים מבצעים מדידה ישירה של פולריזציה של האור

Weak measurement: light goes through a birefringent crystal

מדענים מאוניברסיטת רוצ'סטר ואוניברסיטת אוטוואה יצרו לראשונה שיטה חדשנית למדידה ישירה של מצב פולריזציה באור. עבודתם מתגברת על אתגרים וביניהם עיקרון אי הוודאות של אייזנברג. ניתן ליישם את השיטה גם על קיוביטים, אבני הבניין בתיאוריית המידע הקוונטי. המחקר פורסם בכתב העת המדעי, Nature Photonics.

שיטת המדידה הישירה פותחה לראשונה ב-2011 על ידי מדענים מהמועצה הלאומית למחקר של קנדה, כדי למדוד את פונקציית הגל – הפונקצייה מהווה דרך לקביעה של המצב הקוונטי של מערכת.

מדידות ישירות כאלו של פונקציית הגל נחשבו עד לא מזמן לבלתי אפשריות בגלל מרכיב מפתח בעיקרון אי הוודאות – הרעיון שמאפיינים מסויימים במערכת הקוונטית יכולים להיות ידועים ברמת וודאות נמוכה יותר, ככל שיודעים על מאפיינים אחרים ברמת דיוק גבוהה יותר. היכולת לבצע את המדידות הישירות מאתגרת את הדיעה הרווחת כי הבנה מלאה של מערכת קוונטית לעולם לא יכולה לנבוע מתצפית ישירה.

קבוצת המדענים שבראשם נמצא החוקר רוברט בויד, מדדה את מצב הפולריזציה של האור – הכיוון שבו רוטטים השדות האלקטריים והמגנטיים. בדומה לתוצאותיהם של קבוצת החוקרים החלוצים מ-2011 התוצאות הנוכחיות אף הן מראות כי זה אפשרי למדוד את המשתנים והמאפיינים של חלקיקים קוונטיים באופן ישיר. ניתן להשתמש במצב הפולריזציה של האור על מנת לקודד אינפורמציה, ולכן אפשר לבנות באמצעות זה קיוביטים באפליקציות המבוססות על אינפורמציה קוונטית.

"ליכולת לבצע מדידה ישירה בפונקציית הגל הקוונטית יש אפליקציות עתידיות חשובות במדעי האינפורמציה הקוונטית", מסביר בויד. לדבריו, “עבודה נוספת בקבוצתנו קשורה ליישום השיטה הזו עבור מערכות נוספות, למשל, למדידת מצבים קוונטים 'מעורבים' (בניגוד למצבים טהורים)”.

בעבר, טכניקה המכונה "טומוגרפיה קוונטית" איפשרה לחוקרים למדוד אינפורמציה המוכלת במצבים הקוונטים הללו, אולם רק באופן בלתי ישיר. טומוגרפיה קוונטית מתאפשרת רק באמצעות עיבוד אינטנסיבי ביותר של הנתונים, וזהו תהליך שלוקח הרבה זמן – במדידה הישירה לעומת זאת כל זה נחסך.

שיטת המדידה הישירה מתאפשרת על ידי "טריק" בתהליך מדידת המאפיין הראשון בצורה כזו שהמערכת לא מתערערת באופן משמעותי. מידע בנוגע לאלמנט השני שמודדים נשמר וניתן למדוד גם אותו.