اندازه گیری یکی از ضرورت های بشر است. این مهم تنها منحصر به خرید کالا، وزن و ابعاد آن نمی شود بلکه به طور مثال هنگامی که از خیابان می گذریم سعی بر آن داریم فواصل و سرعت اتومبیلها یی که در حال نزدیک شدن به ما هستند را تشخیص داده و تخمین زنیم آیا فرصت کافی برای گذر از خیابان در اختیار داریم یا خیر. از زمان گالیله تاکنون ارقام حاصل از احتساب اندازه ها رفته رفته دقیقتر شده است و نیز یکی از اصول بنیادی علم معاصر محسوب می شود.

امروزه اندازه و اندازه گیری یکی از نیازهای مهم بشر قلمداد می شود و دست آورد آن رشته ی کاملا مستقلی است بنام «اندازه گیری» (Metrology). دقت و ظرافت به کار رفته در ساعت های اتمی (که کمتر از یک میلیونیم و یک میلیونیم ثانیه را محاسبه می کند) به طور مثال، کارایی بسیار بالایی در تداخل سنج رادیوتلسکوپها دارد. لازم به ذکر است به کارگیری ساعتهای اتمی، امروزه یکی از ابزارهای اجتناب ناپذیر زندگی روزمره است. GPS ها را که روازنه ممکن است بارها از آن استفاده کنیم در نظر بگیرید،  .استفاده از این سیستم بدون وجود ساعت های اتمی غیر ممکن است

هزاران هزار نمونه ی قابل مثال دیگر وجود دارد که می توانند به اثبات اهمیت اندازه چه در زمینه های پژوهشی و چه در زمینه فناوری که اتفاقا هر دو زندگی آدمی را تحت الشعاع قرار داده اند، بپردازد. حال این پرسش پیش می آید: آیا دقت و شیوه ای که از طریق آن ارتفاع، زمان و میزان نور اندازه گیری می شود می تواند بهبود یابد؟ خوب است بدانیم بشر بر آن است تا دقت اندازه گیری را بالا ببرد و موانع اجتناب ناپذیر آن را از جمله «پر سر و صدا» بودن و یا نوسان در مقیاس های بدست آمده را کاهش دهد و یا از بین ببرد. کاهش صدا خود با موانعی مواجه است به ویژه در سیستم های الکتریکی یا نوری. در این دستگاه ها همواره حداقل صدایی وجود دارد که اصطلاحا Shot نامیده می شود.

این مشکل در واقع به ارقام حاصل از محاسبات بر می گردد که با واحدهای کوانتومی مثلا الکترونها و یا فوتونها در ارتباط هستند. هنگامی که قصد داریم میزان دقت در اندازه گیری را بالا ببریم، نوسانات اجتناب ناپذبر در ارقام حاصله خبر از وجود نوساناتی بر جسم قابل مشاهده می دهد که نتیجه ی آن همان صدای Shot است.

هرچقدر میزان جریان برق یا نور بیشتر باشد، اندازه گیری دقیقتر خواهد بود. با این وجود در آزمایشگاه ها الزام بر آن است که جریان برق و یا نورِ ضعیف اندازه گیری شود؛ نتیجه صدای Shot بلند تر خواهد شد. بنابراین این تنها مانع صدای Shot خواهد بود؟ در سال های اخیر دانشمندان متوجه شده اند که برخی سیستم های کوانتومی، به عبارتی نظریه کوانتوم که قادر به توصیف رفتارهای مولکولی، اتمی و ذرات است، این امکان را فراهم می آورد تا این مانع را از بین ببریم. استفاده از قوانین کوانتوم در حوزه اندازه گیری به وجود آورنده زمینه های پژوهشی جدیدی است  که اندازه گیری کوانتومی نام گرفته است. 

برای مثال یک تداخل سنج را در نظر می گیریم. سیستم این دستگاه به گونه ای است که نور موجود در آن (که همانند لیزرها بسیار دقیق محاسبه شده است) به چندین بخش تقسیم می شود و در نتیجه  مرکب محسوب می شود. یکی از عوامل تداخل، مواج بودن نور است. طبق توضیحات مکانیک کوانتوم، از آنجایی که ذراتی مثل الکترونها، اتم ها و یا مولکول ها دارای ویژگی مواج بودن هستند، می توان برخی از تداخل سنج ها را با استفاده از همین ذرات ساخت.

فرض کنیم یک تداخل سنج با نور بسیار کم سو و یا به عبارتی کم فوتون در اختیار داریم، با تکرار اندازه گیری و بدست آوردن میانگین می توانیم نتیجه ی بهتری بدست آوریم.  دقت در اندازه گیری با بالا رفتن ریشه ی حاصله از رادیکال N  بالا رفته و عدد حاصله ( یا به عبارتی ضریب اندازه که  برابر با معکوس مجذور N است )ضریب صدای Shot خواهد بود. 

پس در نتیجه با استفاده از سیتمهای کوانتومی با بالا رفتن عدد N  که حاصل تکرار  در اندازه گیری می باشد، دقت در اندازه گیری بهبود می یابد. به عبارت دیگر ضریب اندازه برابر است با 1/N. هنگامی که عدد N بزرگ باشد نتیجه ی چشمگیری حاصل خواهد شد. این ویژگی خصوصا برای دستگاه هایی رخ می دهد که از چندین ذره (الکترون، اتم و فوتونها)  بهرمند هستند و ارتباط تنگاتنگی با یکدیگر دارند (entanglement یا در همتنیدگی).

بخش دوم

منبع:

IAF

Quantum Metrology

Mach–Zehnder interferometer

منابع مفید: 

احتمال، کوانتمی است؟

شبح کوانتمی: ۱ - ۲

انتقال به را ه دور

محاسبات کوانتمی

نظریه اطلاعات

منشا گرانشی کوانتم: ۱ - ۲ - ۳ - ۴

رمزنگاری کوانتمی: ۱ -۲ -۳

Marco Genovese

اصل عدم قطعیت هایزنبرگ - ویکی پدیا

اندازه گیری یکی از ضرورت های بشر است. این مهم تنها منحصر به خرید کالا، وزن و ابعاد آن نمی شود بلکه به طور مثال هنگامی که از خیابان می گذریم سعی بر آن داریم فواصل و سرعت اتومبیلها یی که در حال نزدیک شدن به ما هستند را تشخیص داده و تخمین زنیم آیا فرصت کافی برای گذر از خیابان در اختیار داریم یا خیر. از زمان گالیله تاکنون ارقام حاصل از احتساب اندازه ها رفته رفته دقیقتر شده است و نیز یکی از اصول بنیادی علم معاصر محسوب می شود.

امروزه اندازه و اندازه گیری یکی از نیازهای مهم بشر قلمداد می شود و دست آورد آن رشته ی کاملا مستقلی است بنام «اندازه گیری» (Metrology). دقت و ظرافت به کار رفته در ساعت های اتمی (که کمتر از یک میلیونیم و یک میلیونیم ثانیه را محاسبه می کند) به طور مثال، کارایی بسیار بالایی در تداخل سنج رادیوتلسکوپها دارد. لازم به ذکر است به کارگیری ساعتهای اتمی، امروزه یکی از ابزارهای اجتناب ناپذیر زندگی روزمره است. GPS ها را که روازنه ممکن است بارها از آن استفاده کنیم در نظر بگیرید،  .استفاده از این سیستم بدون وجود ساعت های اتمی غیر ممکن است

هزاران هزار نمونه ی قابل مثال دیگر وجود دارد که می توانند به اثبات اهمیت اندازه چه در زمینه های پژوهشی و چه در زمینه فناوری که اتفاقا هر دو زندگی آدمی را تحت الشعاع قرار داده اند، بپردازد. حال این پرسش پیش می آید: آیا دقت و شیوه ای که از طریق آن ارتفاع، زمان و میزان نور اندازه گیری می شود می تواند بهبود یابد؟ خوب است بدانیم بشر بر آن است تا دقت اندازه گیری را بالا ببرد و موانع اجتناب ناپذیر آن را از جمله «پر سر و صدا» بودن و یا نوسان در مقیاس های بدست آمده را کاهش دهد و یا از بین ببرد. کاهش صدا خود با موانعی مواجه است به ویژه در سیستم های الکتریکی یا نوری. در این دستگاه ها همواره حداقل صدایی وجود دارد که اصطلاحا Shot نامیده می شود.

این مشکل در واقع به ارقام حاصل از محاسبات بر می گردد که با واحدهای کوانتومی مثلا الکترونها و یا فوتونها در ارتباط هستند. هنگامی که قصد داریم میزان دقت در اندازه گیری را بالا ببریم، نوسانات اجتناب ناپذبر در ارقام حاصله خبر از وجود نوساناتی بر جسم قابل مشاهده می دهد که نتیجه ی آن همان صدای Shot است.

هرچقدر میزان جریان برق یا نور بیشتر باشد، اندازه گیری دقیقتر خواهد بود. با این وجود در آزمایشگاه ها الزام بر آن است که جریان برق و یا نورِ ضعیف اندازه گیری شود؛ نتیجه صدای Shot بلند تر خواهد شد. بنابراین این تنها مانع صدای Shot خواهد بود؟ در سال های اخیر دانشمندان متوجه شده اند که برخی سیستم های کوانتومی، به عبارتی نظریه کوانتوم که قادر به توصیف رفتارهای مولکولی، اتمی و ذرات است، این امکان را فراهم می آورد تا این مانع را از بین ببریم. استفاده از قوانین کوانتوم در حوزه اندازه گیری به وجود آورنده زمینه های پژوهشی جدیدی است  که اندازه گیری کوانتومی نام گرفته است. 

برای مثال یک تداخل سنج را در نظر می گیریم. سیستم این دستگاه به گونه ای است که نور موجود در آن (که همانند لیزرها بسیار دقیق محاسبه شده است) به چندین بخش تقسیم می شود و در نتیجه  مرکب محسوب می شود. یکی از عوامل تداخل، مواج بودن نور است. طبق توضیحات مکانیک کوانتوم، از آنجایی که ذراتی مثل الکترونها، اتم ها و یا مولکول ها دارای ویژگی مواج بودن هستند، می توان برخی از تداخل سنج ها را با استفاده از همین ذرات ساخت.

فرض کنیم یک تداخل سنج با نور بسیار کم سو و یا به عبارتی کم فوتون در اختیار داریم، با تکرار اندازه گیری و بدست آوردن میانگین می توانیم نتیجه ی بهتری بدست آوریم.  دقت در اندازه گیری با بالا رفتن ریشه ی حاصله از رادیکال N  بالا رفته و عدد حاصله ( یا به عبارتی ضریب اندازه که  برابر با معکوس مجذور N است )ضریب صدای Shot خواهد بود. 

پس در نتیجه با استفاده از سیتمهای کوانتومی با بالا رفتن عدد N  که حاصل تکرار  در اندازه گیری می باشد، دقت در اندازه گیری بهبود می یابد. به عبارت دیگر ضریب اندازه برابر است با 1/N. هنگامی که عدد N بزرگ باشد نتیجه ی چشمگیری حاصل خواهد شد. این ویژگی خصوصا برای دستگاه هایی رخ می دهد که از چندین ذره (الکترون، اتم و فوتونها)  بهرمند هستند و ارتباط تنگاتنگی با یکدیگر دارند (entanglement یا در همتنیدگی).

بخش دوم

منبع:

IAF

Quantum Metrology

Mach–Zehnder interferometer

منابع مفید: 

احتمال، کوانتمی است؟

شبح کوانتمی: ۱ - ۲

انتقال به را ه دور

محاسبات کوانتمی

نظریه اطلاعات

منشا گرانشی کوانتم: ۱ - ۲ - ۳ - ۴

رمزنگاری کوانتمی: ۱ -۲ -۳

Marco Genovese

اصل عدم قطعیت هایزنبرگ - ویکی پدیا