مکانیک کوانتومی

به گزارش مجاهدت از مشرق، گروهی از دانشمندان ابزاری برای استفاده از مکانیک کوانتومی برای «مشاهده غیرمستقیم اجسام» ابداع کرده‌اند. این روش جدید می‌تواند اندازه‌گیری را برای کامپیوترهای کوانتومی و سایر سیستم‌ها بهبود بخشد و جهان کوانتومی و کلاسیک را با هم ترکیب می‌کند.

ما چیزها را از طریق تعامل پیچیده فوتون‌های نور در سلول‌های تخصصی شبکیه چشم خود می‌بینیم. با این حال، برخی از دانشمندان حدس می‌زنند که یک پدیده مشابه می‌تواند بدون جذب عکس یا بدون هیچ نوری تکرار شود.

چه می‌شد اگر می‌توانستیم به طور غیرمستقیم مسائل را بدون آلودن با فوتون‌های نور یا تأثیرگذاری بر یک سیستم در حین تلاش برای مطالعه آن، مطالعه کنیم؟ تصور کنید که از نور برای مطالعه نواری از یک فیلم حساس به نور بدون آسیب زدن به آن استفاده کنید. اکنون با توجه به این کشف راهگشا به نظر می‌رسد که ما می‌توانیم این کار را انجام دهیم.

شروتی دوگرا، جان جی مک‌کورد و گئورگه سورین پارائوانو از دانشگاه آلتو(Aalto) به عنوان بخشی از مطالعه‌ای بر روی رابطه بین دنیای کوانتومی و کلاسیک، روشی جدید و بسیار بهتر برای انجام تست‌های بدون تعامل پیدا کرده‌اند.

دانشمندان از دستگاه‌های ترانسمون که مدارهای ابررسانای نسبتاً بزرگی هستند که رفتار کوانتومی از خود نشان می‌دهند، برای یافتن پالس‌های مایکروویو تولید شده توسط ابزار معمولی استفاده کردند.

کار این گروه پژوهشی به جای لیزر و آینه بر امواج مایکروویو و ابررساناها متمرکز است.

پارائوانو توضیح می‌دهد: ما مجبور بودیم این مفهوم را با ابزارهای آزمایشی مختلف موجود برای دستگاه‌های ابررسانا تطبیق دهیم. به همین دلیل، ما مجبور شدیم پروتکل استاندارد بدون تعامل را تغییر دهیم و با استفاده از سطح انرژی بالاتر ترانسمون، لایه دیگری از کوانتومی بودن را اضافه کردیم. سپس، از انسجام کوانتومی سیستم سه سطحی به‌عنوان یک منبع استفاده کردیم.

همدوسی کوانتومی(Quantum coherence) توانایی یک جسم برای وجود همزمان در دو حالت مجزا است، یعنی چیزی که فیزیک کوانتومی آن را ممکن می‌داند. در ابتدا مشخص نبود که آیا پروتکل جدید پژوهشگران عمل می‌کند یا نه، زیرا همدوسی کوانتومی شکننده است و به راحتی فرو می‌ریزد.

همدوسی یکی از ویژگی‌های فیزیکی امواج است. در فیزیک، دو منبع موج کاملاً همدوس است. اگر بسامد و شکل موج آنها کاملا یکسان باشد، در عین حال می‌توانند اختلاف فاز داشته باشند. این یک ویژگی ایده‌آل از امواج است که باعث تداخل ایستاده(موج ایستاده تولید می‌شود) می‌شود.

ناهمدوسی کوانتومی نیز به دست دادن همدوسی کوانتومی گفته می‌شود. در مکانیک کوانتومی، ذراتی مانند الکترون توسط یک تابع موج، یک توصیف ریاضی حالت کوانتومی یک سیستم توصیف می‌شوند. طبیعت احتمالی تابع موج باعث به وجود آمدن اثرات کوانتومی مختلف می‌شود. تا زمانی که رابطه قابل تعریف بین فاز و حالت‌های مختلف این سیستم وجود دارد، این سیستم همدوس است.

همدوسی خاصیت بنیادی مکانیک کوانتومی و برای عملکرد کامپیوترهای کوانتومی لازم است. اما هنگامی که یک سیستم کوانتومی کاملاً ایزوله نباشد و در تماس با محیط اطراف خود باشد، این همدوسی با زمان از بین می‌رود که به آن ناهمدوسی کوانتومی می‌گویند و به عنوان یک نتیجه از این روند، رفتار کوانتومی مربوطه از بین می‌رود.

در کمال تعجب پژوهشگران، آزمایش‌های اولیه کارایی تشخیص بسیار بالاتری را نشان دادند. آنها بارها و بارها به آزمایش برگشتند، یافته‌های خود را با استفاده از مدل‌های نظری سنجیدند و همه چیز را تأیید کردند.

دوگرا می‌گوید: ما همچنین نشان دادیم که حتی پالس‌های مایکروویو کم‌مصرف را می‌توان به طور مؤثر با استفاده از پروتکل ما شناسایی کرد.

این آزمایش همچنین روش جدیدی را برای استفاده از دستگاه‌های کوانتومی برای کسب مزیت نسبت به دستگاه‌های کلاسیک نشان داد که به عنوان برتری کوانتومی شناخته می‌شود. اجماع پژوهشگران این است که دستیابی به برتری کوانتومی به کامپیوترهای کوانتومی با کیوبیت‌های متعدد نیاز دارد. با این حال، این آزمایش یک برتری کوانتومی مطلق را با یک تنظیم نسبتاً ساده ثابت کرد.

برتری کوانتومی در محاسبات کوانتومی، توانایی بالقوه دستگاه‌ها برای حل مشکلاتی است که کامپیوترهای کلاسیک عملاً از انجام آن ناتوان هستند.

این تکنیک جدید چه نوع کاربردهایی می‌تواند داشته باشد؟

تصویربرداری نوری، تشخیص نویز و توزیع کلیدهای رمزنگاری تنها چند فرآیند تخصصی هستند که در آن اندازه‌گیری‌های بدون تعامل بر اساس روش‌های قدیمی کمتر کارآمد قابل استفاده است. این رویکرد جدید و بهبود یافته می‌تواند به طور قابل توجهی کارایی این فرآیندها را افزایش دهد.

پروفسور پارائوانو می‌گوید: روش ما در محاسبات کوانتومی می‌تواند برای تشخیص حالت‌های مایکروویو-فوتون در عناصر حافظه خاص استفاده شود. این می‌تواند به عنوان یک روش بسیار کارآمد برای استخراج اطلاعات بدون ایجاد اختلال در عملکرد پردازنده کوانتومی در نظر گرفته شود.

این گروه پژوهشی تحت رهبری پروفسور پارائوانو همچنین در حال آزمایش روش‌های جدید دیگری برای پردازش اطلاعات مانند محاسبات کوانتومی خلاف واقع و ارتباطات خلاف واقع هستند که شامل ارتباط دو نفر بدون مبادله هیچ ذره فیزیکی است و در آن نتیجه یک محاسبه بدون اجرای رایانه به دست می‌آید.

محاسبات کوانتومی خلاف واقع(counterfactual quantum computation) روشی برای استنتاج نتیجه یک محاسبه بدون اجرای واقعی یک رایانه کوانتومی است.

این پژوهش در مجله Nature Communications منتشر شده است.