در دهه 1920، مکانیک کوانتومی، نظریه‌ای که زیربنای همه چیز از رفتار اتم‌ها گرفته تا عملکرد رایانه‌های کوانتومی است، در راه به دست آوردن پذیرش گسترده بود. اما یک راز باقی ماند: گاهی اوقات اجسام کوانتومی مانند الکترون ها، اتم ها و مولکول ها مانند ذرات رفتار می کنند و برخی دیگر مانند امواج. حتی گاهی اوقات آنها مانند ذرات و امواج همزمان رفتار می کنند. بنابراین، هنگام مطالعه این اجسام کوانتومی، هرگز مشخص نشد که دانشمندان باید از چه رویکردی در محاسبات خود استفاده کنند.
گاهی اوقات دانشمندان مجبور می‌شدند اجسام کوانتومی را امواج فرض کنند تا به نتیجه صحیح برسند. در موارد دیگر، آنها باید فرض می کردند که اجسام در واقع ذرات هستند. گاهی اوقات هر یک از این رویکردها کارساز بود. اما در موارد دیگر، تنها یک رویکرد نتیجه درست را ایجاد کرد، در حالی که روش دیگر یک نتیجه جعلی را نشان داد. تاریخچه این مشکل به گذشته های دور برمی گردد، اما آزمایش های اخیر نور جدیدی را بر روی این سوال قدیمی روشن کرده است.
تاریخچه کوانتومی
در آزمایش دو شکافی به همین نام که برای اولین بار توسط توماس یانگ در سال 1801 انجام شد، نور مانند امواج رفتار کرد. در این آزمایش، یک پرتو لیزر به سمت یک شکاف دوتایی هدایت می‌شود و سپس به الگوی حاصل نگاه می‌شود. اگر نور از ذرات تشکیل شده باشد، می توان انتظار داشت که دو بلوک نوری به شکل شکاف باشد. در عوض، نتیجه بسیاری از بلوک های کوچک نور است که در یک الگوی مشخص مرتب شده اند. قرار دادن یک شکاف دوتایی در جریان آب به همان الگوی درست در زیر منجر می شود. بنابراین این آزمایش به این نتیجه رسید که نور یک موج است.
سپس، در سال 1881، هاینریش هرتز یک کشف خنده دار انجام داد. وقتی دو الکترود گرفت و ولتاژ کافی بین آنها اعمال کرد، جرقه هایی ظاهر شد. این طبیعی است. اما وقتی هرتز به این الکترودها نور تابید، ولتاژ جرقه تغییر کرد. این با این واقعیت توضیح داده می شود که نور الکترون ها را از مواد الکترود خارج می کند. اما، به اندازه کافی عجیب، حداکثر سرعت الکترون های پرتاب شده در صورت تغییر شدت نور تغییر نمی کند، بلکه با فرکانس نور تغییر می کند. اگر نظریه موج درست باشد این نتیجه غیرممکن خواهد بود. در سال 1905، آلبرت انیشتین راه حلی داشت: نور در واقع یک ذره بود. همه اینها رضایت بخش نبود. دانشمندان یک نظریه که همیشه درست است را به دو نظریه که گاهی درست هستند ترجیح می دهند. و اگر یک نظریه فقط گاهی اوقات درست باشد، حداقل دوست داریم بتوانیم بگوییم در چه شرایطی درست است.
اما این دقیقاً مشکل این کشف بود. فیزیکدانان نمی دانستند چه زمانی نور یا هر جسم دیگری را موج و چه زمانی ذره در نظر بگیرند. آنها می دانستند که برخی چیزها باعث رفتار موج مانند می شوند، مانند لبه های شکاف. اما آنها توضیح روشنی در مورد اینکه چرا چنین است یا چه زمانی باید از هر نظریه ای استفاده کرد، نداشتند.
این معما نام دارد دوآلیسم موج جسمی، هنوز حفظ شده است. اما یک مطالعه جدید ممکن است تا حدودی وضعیت را روشن کند. دانشمندان موسسه علوم پایه کره نشان داده اند که خواص منبع نور بر میزان ذره و موج بودن آن تأثیر می گذارد. آنها با رویکردی جدید برای مطالعه این مشکل، مسیری را هموار کردند که حتی ممکن است به بهبود محاسبات کوانتومی منجر شود. یا چنین امیدهایی.
همچنین جالب: پردازشگرهای کوانتومی گوگل فراتر از تئوری، کریستال های زمان را می طلبند
چگونه ذرات و امواج بسازیم
در این آزمایش، دانشمندان از یک آینه نیمه بازتابنده برای تقسیم پرتو لیزر به دو قسمت استفاده کردند. هر یک از این پرتوها به کریستال برخورد می کند که به نوبه خود دو فوتون تولید می کند. در مجموع چهار فوتون ساطع می شود که از هر کریستال دو فوتون ساطع می شود.
دانشمندان یک فوتون از هر کریستال را به تداخل سنج فرستادند. این دستگاه دو منبع نور را ترکیب کرده و یک الگوی تداخل ایجاد می کند. این الگو اولین بار توسط توماس یانگ در آزمایش دو شکاف مذکور کشف شد. این همان چیزی است که وقتی دو سنگ را در یک حوض پرتاب می کنید می بینید: موج های آب که برخی از آنها یکدیگر را تقویت می کنند و برخی دیگر یکدیگر را خنثی می کنند. به عبارت دیگر تداخل سنج ماهیت موجی نور را تشخیص می دهد.
مسیرهای دو فوتون دیگر برای تعیین خصوصیات جسمی آنها مورد استفاده قرار گرفت. اگرچه نویسندگان مقاله نحوه انجام این کار را مشخص نکرده‌اند، اما معمولاً با عبور فوتون از ماده‌ای انجام می‌شود که نشان می‌دهد فوتون کجا رفته است. به عنوان مثال، شما می توانید یک فوتون را از طریق یک گاز شلیک کنید، که سپس از جایی که فوتون عبور کرده است مشتعل می شود. با تمرکز بر مسیر به جای مقصد نهایی، فوتون می تواند یک موج باشد. این به این دلیل است که اگر مکان دقیق فوتون را در هر لحظه از زمان اندازه گیری کنید، آنگاه نقطه مانند است و نمی تواند به خودش برخورد کند.
این یکی از نمونه های متعدد در فیزیک کوانتومی است که در آن اندازه گیری به طور فعال بر نتیجه اندازه گیری مذکور تأثیر می گذارد. بنابراین، در این بخش از آزمایش، الگوی تداخل در انتهای مسیر فوتون وجود نداشت. بنابراین، محققان دریافتند که چگونه یک فوتون می تواند یک ذره باشد. چالش در حال حاضر این بود که مقداری از این ذره و چه مقدار از ماهیت موج باقی مانده است.
از آنجایی که هر دو فوتون یک کریستال با هم تولید می شوند، یک حالت کوانتومی واحد را تشکیل می دهند. این به این معنی است که می توان یک فرمول ریاضی پیدا کرد که هر دوی این فوتون ها را به طور همزمان توصیف کند. در نتیجه، اگر محققین بتوانند مقدار "جزئی" و "طول موج" دو فوتون را تعیین کنند، این کمیت می تواند برای کل پرتوی که به کریستال می رسد اعمال شود.
در واقع، محققان موفق شدند. آنها با بررسی قابلیت مشاهده الگوی تداخل، میزان مواج بودن فوتون را اندازه گرفتند. وقتی دید زیاد بود، فوتون بسیار موج مانند بود. وقتی این الگو به سختی قابل مشاهده بود، به این نتیجه رسیدند که فوتون باید بسیار شبیه یک ذره باشد.
و این دید تصادفی بود. زمانی که هر دو کریستال شدت یکسانی از پرتو لیزر را دریافت کردند، بالاترین میزان بود. با این حال، اگر پرتو یک کریستال بسیار شدیدتر از دیگری بود، دید الگو بسیار ضعیف می‌شد و فوتون‌ها بیشتر شبیه ذرات بودند.
این نتیجه شگفت‌انگیز است زیرا در بیشتر آزمایش‌ها نور فقط به صورت امواج یا ذرات اندازه‌گیری می‌شود. امروزه در چندین آزمایش، هر دو پارامتر به طور همزمان اندازه گیری شدند. این بدان معنی است که تعیین مقدار از هر ویژگی یک منبع نور آسان است.
همچنین جالب: QuTech یک مرورگر برای اینترنت کوانتومی راه اندازی کرد
فیزیکدانان نظری خوشحال هستند
این نتیجه با پیش بینی قبلی توسط نظریه پردازان مطابقت دارد. بر اساس نظریه آنها، این که یک شی کوانتومی چقدر موجی و جسمی است به خلوص منبع بستگی دارد. خلوص در این زمینه فقط یک راه خیالی برای بیان این احتمال است که یک منبع کریستالی خاص منبعی است که نور را ساطع می کند. فرمول به شرح زیر است: V2 + P2 = µ2، که در آن V دید الگوی جهت، P نمایان شدن مسیر، و µ خلوص منبع است.
این بدان معنی است که یک جسم کوانتومی مانند نور می تواند تا حدی موج مانند و تا حدی ذره مانند باشد، اما این به دلیل خلوص منبع محدود می شود. اگر یک الگوی تداخلی قابل مشاهده باشد یا اگر مقدار V برابر با صفر نباشد، یک شی کوانتومی شبیه موج است. همچنین، اگر مسیر قابل مشاهده باشد یا اگر P غیر صفر باشد، مانند ذره است.
یکی دیگر از پیامدهای این پیش بینی خلوص این است که اگر درهم تنیدگی مسیر کوانتومی زیاد باشد خلوص کم است و بالعکس. دانشمندانی که این آزمایش را انجام دادند این را به صورت ریاضی در کار خود نشان دادند. با تنظیم خلوص کریستال ها و اندازه گیری نتایج، آنها توانستند نشان دهند که این پیش بینی های نظری واقعا درست بوده اند.
همچنین جالب: ناسا کامپیوترهای کوانتومی را برای پردازش و ذخیره "کوه" داده ها راه اندازی خواهد کرد
کامپیوترهای کوانتومی سریعتر؟
ارتباط بین درهم تنیدگی یک جسم کوانتومی و جسمی و موجی بودن آن بسیار جالب است. دستگاه‌های کوانتومی که می‌توانند اینترنت کوانتومی را تغذیه کنند، بر اساس درهم تنیدگی هستند. اینترنت کوانتومی یک قیاس کوانتومی از آنچه اینترنت برای کامپیوترهای کلاسیک است است. دانشمندان امیدوارند با اتصال بسیاری از کامپیوترهای کوانتومی به یکدیگر و امکان به اشتراک گذاری داده ها، قدرت بیشتری نسبت به یک کامپیوتر کوانتومی بدست آورند.
اما به جای ارسال بیت‌ها به یک فیبر نوری، کاری که ما برای تامین انرژی اینترنت کلاسیک انجام می‌دهیم، باید کیوبیت‌ها را در هم ببندیم تا اینترنت کوانتومی را تشکیل دهیم. توانایی اندازه گیری درهم تنیدگی یک ذره و موجی بودن فوتون به این معنی است که می توانیم راه های ساده تری برای کنترل کیفیت اینترنت کوانتومی پیدا کنیم.
علاوه بر این، کامپیوترهای کوانتومی خود می توانند با استفاده از دوگانگی موج-ذره بهتر شوند. بر اساس پیشنهاد محققان دانشگاه Tsinghua چین، می توان یک کامپیوتر کوانتومی کوچک را از طریق یک شبکه چند شکافی برای افزایش قدرت آن راه اندازی کرد. یک کامپیوتر کوانتومی کوچک از چند اتم تشکیل می شود که خود به عنوان کیوبیت استفاده می شوند و چنین دستگاه هایی در حال حاضر وجود دارند.
عبور این اتم ها از یک شبکه چند شکافی بسیار شبیه عبور نور از یک شکاف دوگانه است، البته کمی پیچیده تر. این حالت‌های کوانتومی احتمالی بیشتری ایجاد می‌کند، که به نوبه خود، قدرت کامپیوتر "شعله‌شده" را افزایش می‌دهد. ریاضیات پشت این موضوع برای توضیح در این مقاله بسیار پیچیده است، اما نتیجه مهم این است که چنین کامپیوتر دو کوانتومی می تواند در محاسبات موازی بهتر از کامپیوترهای کوانتومی معمولی باشد. محاسبات موازی نیز در محاسبات کلاسیک رایج است و اساساً به توانایی یک رایانه برای انجام چندین محاسبات به طور همزمان اشاره دارد و به طور کلی آن را سریعتر می کند.
بنابراین، در حالی که این تحقیقات بسیار اساسی است، برنامه های کاربردی ممکن در حال حاضر در افق هستند. در حال حاضر اثبات آن غیرممکن است، اما این اکتشافات می تواند سرعت کامپیوترهای کوانتومی را افزایش دهد و اندکی سرعت ظهور اینترنت کوانتومی را افزایش دهد.
همچنین جالب: چین یک کامپیوتر کوانتومی ساخته است که یک میلیون برابر قدرتمندتر از گوگل است
بسیار اساسی، اما بسیار جالب
همه اینها را باید با شک و تردید فراوان گرفت. تحقیق محکم است، اما همچنین بسیار اساسی است. همانطور که معمولاً در علم و فناوری اتفاق می افتد، از تحقیقات پایه تا کاربردهای دنیای واقعی راه زیادی وجود دارد.
اما محققان کره ای یک چیز بسیار جالب کشف کردند: رمز و راز دوگانگی موج-ذره به این زودی ها ناپدید نخواهد شد. برعکس، به نظر می رسد آنقدر در تمام اجسام کوانتومی ریشه دارد که بهتر است از آن استفاده کنید. با مبنای کمی جدید مربوط به خلوص منبع، انجام این کار آسان تر خواهد بود.
یکی از اولین موارد استفاده ممکن است در محاسبات کوانتومی رخ دهد. همانطور که دانشمندان نشان داده اند، درهم تنیدگی کوانتومی و دوگانگی موج-ذره با هم مرتبط هستند. بنابراین، به جای درهم تنیدگی، می‌توان میزان موج‌بودن و جسمی بودن را اندازه‌گیری کرد. این می تواند به دانشمندانی که روی ایجاد یک اینترنت کوانتومی کار می کنند کمک کند. یا می توانید استفاده کنید ثنویت برای بهبود کامپیوترهای کوانتومی و سریعتر ساختن آنها. در هر صورت، به نظر می‌رسد که زمان‌های کوانتومی هیجان‌انگیزی نزدیک است.
همچنین بخوانید:
با تشکر از مقاله! "برنامه های ممکن در حال حاضر در افق هستند" - احتمالا برنامه ها نیستند، اما برنامه های کاربردی؟
ممنون خیلی جالبه مقالات بیشتری از این دست
متشکرم! ما سعی خواهیم کرد ؛)