اندازه‌گیری «هیچ‌چیز»!

[∆ MeRzaD ∆]

اندازه‌گیری در حالت خلا کوانتومی کار دشواری است، چرا که انجام هر گونه اندازه‌گیری در ابعاد کوانتومی باعث تغییر حالت سیستم می‌شود. اما پژوهشگران انگلیسی به تازگی روشی را یافته‌اند که با کمک آن می‌توان حالت خلا یک سیستم کوانتومی را بدون تغییر این حالت مورد اندازه‌گیری قرار داد.
اندازه‌گیری فضای خالی کار آسانی به نظر می‌رسد: کافی است یک آشکارساز را در این فضا قرار داده و ببینیم که هیچ‌چیزی را نشان نمی‌دهد. در مکانیک کوانتومی اوضاع کمی پیچیده‌تر است، چرا که فضای خالی واقعا خالی نیست و به طور کلی اندازه‌گیری یک حالت آن را برای اندازه‌گیری‌های بعدی از بین می‌برد. اما آن‌طور که دنیل اوی (Daniel Oi) و همکارانش از دانشگاه استراتکلاید (Strathclyde) انگلستان در مقاله خود در فیزیکال ریویو لترز پیشنهاد کرده‌اند، یک اتم منفرد می‌تواند حضور یا عدم حضور حالت خلا میدان فوتونی را بدون تغییر دادن این حالت نشان دهد.

اوی و همکارانش یک اتم سه ترازی را که با یک حفره اپتیکی حاوی فوتون جفت شده بود به شکل نظری تحلیل نمودند. این اتم دارای یک نمودار معین ترازهای انرژی به نام سیستم لاندا است که مسیرهای گذار میان یک حالت برانگیخته و دو تراز پایین‌تر را نشان می‌دهد. یک گذار (که آن را گذار A می‌نامیم) توسط لیزر برانگیخته می‌شود، در حالی که گذار دوم (گذار B) فقط با حفره در تماس است.
با کمک پالس‌های پایدار لیزر می‌توان تحول اتم را به گونه‌ای کنترل نمود که حالت آن فقط به حضور و یا عدم حضور فوتون‌ها در حفره بستگی داشته باشد که حالت دوم در واقع نشان دهنده خلا است. اگر حداقل یک فوتون در داخل حفره وجود داشته باشد و اتم ابتدا در حالت B قرار داشته باشد، با بیرون راندن این فوتون به حالت A خواهد رفت. برعکس چنانچه حفره در حالت خلا قرار داشته باشد (فضای خالی)، اتمی که ابتدا در حالت B قرار دارد در همین حالت باقی می‌ماند و حفره نیز حالت خلا خود را حفظ می‌کند. این آزمایش اجازه انجام عملیات پی‌درپی چندگانه را به آزمایش‌گر می‌دهد و می‌تواند فوتون‌های جدیدی را به یک میدان حفره موجود اضافه کند و یا در هر لحظه یک فوتون از این حفره خارج نماید.