آغاز مهندسی دانش کوانتوم!

سید مصطفی صابری - روزنامه خراسان/ طی روزهای اخیر دو خبر مهم درباره دانش کوانتوم و استفاده از آن برای ساخت یک موتور و همین‌‌طور کاربرد آن در دنیای اینترنت، توجه بسیاری از علاقه‌‌مندان به دنیای علم و فناوری را جلب کرد. اهمیت ماجرا به این دلیل است که دانش کاربردی ما از مکانیک کوانتوم بسیار محدود و مهندسی این دانش هم برای استفاده از آن در زندگی روزمره مردم تا به‌‌حال ناچیز بوده؛ با این اوصاف وقتی خبری می‌‌رسد مبنی بر این‌‌که موتور و اینترنت کوانتومی یک گام جلو رفته، یعنی با سرآغاز یک اتفاق مهم مواجه هستیم؛ مانند آن‌‌چه بشر هنگام اختراع چرخ، سقوط سیب روی سر نیوتن، قانون نسبیت، اولین پرواز در آسمان و... تجربه کرد؛ شاید هم فراتر از این‌‌ها. با این اوصاف در این مطلب ابعاد مختلف این دو خبر را مرور می‌‌کنیم. 
فیزیک کوانتوم چی هست؟
فیزیک کوانتومی یک چارچوب نظری است که هدف آن توصیف ساختار و رفتار ذرات زیر اتمی و همچنین سیستم‌‌های متشکل از این ذرات است. این تئوری مبتنی بر این ایده است که این ذرات و سیستم‌ها به روش‌های اساسی متفاوت از اجسام بزرگ‌تر و کلاسیک رفتار می‌کنند و ویژگی‌هایی از خود نشان می‌دهند که اغلب دشوار است که با تجربه روزمره ما سازگار شوند. به‌‌طور مثال طبق قوانین حرکت نیوتن، با دانستن جرم و سرعت یک جسم، می‌‌توانیم محاسبه کنیم آن بعد از یک زمان مشخص ممکن است کجا باشد. اما در فیزیک کوانتوم مکان دقیق یک ذره به‌‌هیچ وجه مشخص نیست. فیزیک کوانتومی در طول قرن بیستم توسعه یافته است. برخی از مفاهیم کلیدی در فیزیک کوانتومی شامل دوگانگی موج/ذره، اصل عدم قطعیت و درهم تنیدگی است که رفتار عجیب و غیرمعمول ذرات و سیستم‌‌ها را در مقیاس کوانتومی توصیف می‌‌کند. فیزیک کوانتومی تاثیر عمیقی بر درک ما از جهان داشته و منجر به پیشرفت‌های تکنولوژیکی بسیاری از جمله لیزرها، نیمه‌رساناها و محاسبات کوانتومی شده است.
 

دانشی که دنیا را تکان داد
فیزیک کوانتوم بی‌‌نهایت شیرین و در عین حال شگفت‌‌انگیز است؛ چراکه با تجربه روزمره ما که در دنیای غیرزیراتمی می‌‌بینیم تفاوت جدی دارد. برای درک اهمیت و جزئیات اخبار تازه‌‌ای که در این زمینه به گوش می‌‌رسد، لازم است با دنیای فیزیک کوانتوم بیشتر آشنا شویم تا بدانیم وقتی از موتور کوانتومی یا دستیابی به برهم‌‌نهی در اینترنت می‌‌گوییم ماجرا از چه قرار است. برخی از جالب‌‌ترین نکاتش را در ادامه مرور می‌‌کنیم:

دوگانگی موج‌‌ذره    در مکانیک کوانتومی، ذرات می‌‌توانند مانند امواج و امواج مانند ذرات رفتار کنند. این یک مفهوم اساسی در مکانیک کوانتومی است که به طور تجربی تایید شده است. یعنی برخلاف آن‌‌چه بیشتر ما در مدرسه یاد گرفتیم، وقتی درباره یک ذره در ابعاد کوانتومی بحث می‌‌کنیم درحقیقت باید آن‌‌را یک موج در نظر بگیریم که می‌‌تواند همزمان در نقاط مختلفی باشد یا لااقل نمی‌‌توانیم به‌‌طور قطع مکان مشخصی برای آن درنظر بگیریم.
اصل عدم قطعیت    اصل عدم قطعیت بیان می‌کند که نمی‌توان موقعیت و تکانه دقیق یک ذره را همزمان دانست. این بدان معنی است که یک محدودیت اساسی برای دقت وجود دارد که با آن می‌‌توانیم خواص ذرات را اندازه گیری کنیم.
درهم تنیدگی    درهم تنیدگی پدیده‌‌ای است که در آن دو ذره به گونه‌‌ای به هم متصل می‌‌شوند که حالت یک ذره به حالت ذره دیگر وابسته است، حتی اگر با فاصله زیادی از هم جدا شوند،یعنی اگر حالت یک ذره را در یک طرف کیهان تغییر دهیم، حالت ذره در هم‌‌تنیده‌‌اش در دورترین نقطه کیهان بلافاصله تغییر می‌‌کند. این بدان معناست که اطلاعات می‌‌توانند سریع‌‌تر از سرعت نور حرکت کنند که توسط فیزیک کلاسیک مجاز نیست.
تونل‌‌زنی کوانتومی  تونل‌‌زنی کوانتومی پدیده‌‌ای است که در آن ذرات می‌‌توانند از موانعی عبور کنند که در فیزیک کلاسیک غیرقابل نفوذ هستند.
برهم‌‌نهی کوانتومی   برهم نهی کوانتومی یک مفهوم اساسی در مکانیک کوانتومی است که توانایی ذرات را برای وجود چندین حالت یا مکان به‌‌طور همزمان توصیف می‌‌کند. این بدان معنی است که تا زمانی که ذره مشاهده یا اندازه‌‌گیری نشود، در برهم نهی همه حالات ممکن هست که اساساً در همه آن‌‌ها به طور همزمان وجود دارد. برهم نهی کوانتومی پیامدهای مهمی برای زمینه هایی مانند محاسبات کوانتومی و رمزنگاری دارد، جایی که توانایی ذخیره و دستکاری اطلاعات در چندین حالت به طور همزمان می‌‌تواند به مزایای محاسباتی قابل توجهی منجر شود.
 جهان‌‌های موازی   پذیرش برهم‌‌نهی کوانتومی پیامدهای جالبی دارد که یکی از آن‌‌ها ایده سهمگین و جذاب جهان‌‌های موازی است. چیزی که شاید در فیلم ها و سریال‌‌های علمی و تخیلی دیده باشید. براین اساس هر بار که یک رویداد کوانتومی با چندین پیامد ممکن رخ می‌دهد، جهان به چند جهان موازی تقسیم می‌شود که هر کدام با یکی از نتایج ممکن مطابقت دارند. این تفسیر مبتنی بر این ایده است که برهم نهی کوانتومی نشان دهنده یک حالت فیزیکی واقعی است، نه صرفاً یک انتزاع ریاضی.
 اثر مشاهده‌‌گر   اثر مشاهده‌گر یک مسئله اعجاب‌‌انگیز در مکانیک کوانتومی است که از این ایده ناشی می‌شود که عمل مشاهده یا اندازه‌گیری یک سیستم کوانتومی بر خود سیستم تاثیر می‌گذارد. در مکانیک کوانتومی، ذرات تا زمانی که مشاهده یا اندازه گیری شوند در حالت برهم نهی وجود دارند، در این مرحله تابع موجی که سیستم را توصیف می‌‌کند به یک حالت منفرد فرو می‌‌ریزد. این امر پرسش‌‌هایی را درباره ماهیت واقعیت و نقش ناظر در شکل دادن به آن ایجاد می‌‌کند. اثر مشاهده‌گر به روش‌های مختلفی آزمایش شده است، از جمله آزمایش معروف دو شکاف که در آن ذرات بسته به مشاهده یا عدم مشاهده رفتار متفاوتی دارند. این آزمایش‌ها تایید کرده‌اند که عمل مشاهده می‌تواند بر رفتار سیستم‌های کوانتومی تاثیر بگذارد.
تابع موج    یک مفهوم اساسی در مکانیک کوانتومی است که احتمال یافتن ذره را در یک حالت یا مکان خاص توصیف می‌‌‌کند. همچنین برای محاسبه سایر کمیت‌‌‌های فیزیکی مهم مانند انرژی، تکانه و تکانه زاویه‌‌‌ای ذره استفاده می‌‌‌شود. یکی از ویژگی‌‌‌های کلیدی تابع موج این است که طبق معادله شرودینگر در زمان تکامل می‌‌‌یابد و یک معادله دیفرانسیل جزئی است که رفتار سیستم‌‌‌های کوانتومی را توصیف می‌‌‌کند. تابع موج هم تابع اصل عدم قطعیت است که بیان می‌‌‌کند نمی‌‌‌توان موقعیت دقیق و تکانه یک ذره را به طور همزمان دانست.
فروپاشی تابع موج    این پدیده که به عنوان واپاشی تابع موج هم شناخته می‌‌‌شود، توضیح می‌‌‌دهد که چگونه وضعیت کوانتومی یک سیستم در هنگام اندازه‌‌‌گیری یا مشاهده تغییر می‌‌‌کند. در مکانیک کوانتومی، ذرات با تابع موج توصیف می‌‌‌شوند که احتمال یافتن ذره را در یک مکان یا حالت خاص توصیف می‌‌‌کند. هنگامی که یک سیستم کوانتومی مشاهده نمی‌‌‌شود، تابع موج می‌‌‌تواند در برهم نهی از حالت‌‌‌های مختلف وجود داشته باشد. با این حال، هنگامی که سیستم مشاهده یا اندازه‌‌‌گیری می‌‌‌شود، تابع موج به یک حالت منفرد فرو می‌‌‌ریزد و ذره در یک مکان یا حالت خاص پیدا می‌‌‌شود. این فرایند آنی و غیرقابل برگشت است و یکی از بحث برانگیزترین جنبه‌‌‌های مکانیک کوانتومی است. مکانیسم دقیقی که توسط آن فروپاشی تابع موج رخ می‌‌‌دهد هنوز موضوع بحث در میان فیزیکدانان است و پیامدهای مهمی برای درک ما از ماهیت واقعیت و نقش آگاهی در شکل دادن به جهان دارد.
 

دنیایی که کوانتومی می‌‌شود
با مطالعه مفاهیم فیزیک کوانتوم می‌‌توان ماجرای اینترنت کوانتومی و تعریفش را بهتر درک کرد
اینترنت کوانتومی  براساس خبری که طی روزهای اخیر منتشر شده است دانشمندان به درهم‌تنیدگی کوانتومی زنده در یک کابل فیبر نوری ۱۸ مایلی دست یافتند. محققان دانشگاه نورث وسترن در ایالات متحده با استفاده از کابل‌های فیبر نوری که ترافیک اینترنت را حمل می‌کردند، درهم‌تنیدگی کوانتومی را با موفقیت نشان دادند. این فناوری می‌تواند سرعت تحقیقات دارویی، مدل‌سازی مالی و بهینه‌سازی سیستم‌ها را تسریع و حتی در مبارزه با تغییرات آب و هوایی به ما کمک کند. محاسبات یا رایانش کوانتومی به لطف توانایی خود در انجام محاسبات بسیار پیچیده در عرض چند ساعت که توسط سریع‌ترین ابررایانه‌ها هم چندین دهه طول می‌کشد، می‌تواند جهان ما را به طور اساسی تغییر دهد. دورنوردی کوانتومی فرایند جابه جایی یک کیوبیت (واحد پایه اطلاعات کوانتومی) از یک محل به محل دیگر، بدون پیمایش فاصله است. در حالی که در ارتباطات نوری، همه سیگنال‌ها با استفاده از میلیون‌ها ذره به نور تبدیل می‌شوند. اطلاعات کوانتومی فقط شامل فوتون‌های منفرد است. این می‌تواند ارتباطات را به دلیل ماهیت غیرقابل رهگیری حالت‌های کوانتومی، فوری و ایمن کند. پرم کومار استاد مهندسی برق و کامپیوتر در دانشگاه نورث‌وسترن می‌گوید: دورنوردی کوانتومی این توانایی را دارد که اتصال کوانتومی را بین گره‌های جغرافیایی دوردست فراهم کند. اما بسیاری مدت‌ها تصور می‌کردند که هیچ‌کس زیرساخت‌های تخصصی برای ارسال ذرات نور ایجاد نخواهد کرد. آزمایشگاه کومار نشان داده که این امر غیرضروری است، زیرا می‌توان داده‌های کوانتومی را با استفاده از کابل‌های فیبر نوری در حین حمل داده‌های اینترنتی از راه دور منتقل کرد.
 اولین موتور کوانتومی جهان   پیش از انتشار خبر مربوط به برهم‌‌نهی کوانتومی در یک فیبر نوری، خبری جالب درباره ساخت در یک جهش بزرگ علمی، دانشمندان موفق به ساخت اولین موتور کوانتومی جهان شده‌اند که به جای سوخت‌های فسیلی سنتی، از اصول عمیق مکانیک کوانتومی استفاده می‌کند. این موتور به جای سوخت‌های فسیلی مانند گاز یا نفت، از اصول عجیب و غریب مکانیک کوانتومی برای تولید انرژی استفاده می‌کند.
 

​​​​​​​
چقدر تا مهندسی کوانتوم فاصله داریم؟
وقتی با فیزیک کوانتوم آشنا می‌‌‌شویم آن‌‌‌چه در ذهن‌‌‌مان شکل می‌‌‌گیرد، این است که اگر این دانش شگفت‌‌‌انگیز از حالت نظری خارج شده و به‌‌‌صورت مهندسی شده‌‌‌ای به دنیا عرضه شود چه اتفاقی می‌‌‌افتد. هرچند فیزیک کوانتومی به عنوان یک رشته کاملاً نظری آغاز شد، اما در بسیاری از زمینه‌‌‌ها به مهندسی کاربردی تبدیل شده است. در این جا چند نمونه آورده شده که هنوز هم برای ما آن‌‌‌چنان که باید ملموس نیست، چون به‌‌‌شکل روزانه با آن‌‌‌ها سروکار نداریم:

محاسبات کوانتومی   محاسبات کوانتومی نوعی از محاسبات است که از اصول مکانیک کوانتومی برای انجام انواع خاصی از محاسبات بسیار سریع تر از رایانه‌‌‌های کلاسیک استفاده می‌‌‌کند. رایانه های کلاسیک از بیت‌‌‌های باینری استفاده می‌‌‌کنند که می‌‌‌توانند ۰ یا ۱ باشند تا اطلاعات را ذخیره و پردازش کنند. از سوی دیگر، رایانه‌های کوانتومی از بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها استفاده می‌کنند که می‌توانند در یک برهم نهی ۰ و ۱ به طور همزمان وجود داشته باشند. این به رایانه های  کوانتومی اجازه می‌‌‌دهد تا انواع خاصی از محاسبات را به صورت تصاعدی سریع تر از رایانه های کلاسیک انجام دهند. رایانه های کوانتومی علاوه بر استفاده از کیوبیت، از درهم تنیدگی کوانتومی و تداخل کوانتومی هم برای انجام محاسبات استفاده می‌‌‌کنند. این پدیده‌ها به رایانه‌های کوانتومی اجازه می‌دهند تا انواع خاصی از مسائل را حل کنند، مانند فاکتورگیری اعداد بزرگ یا شبیه‌سازی سیستم‌های پیچیده که برای رایانه‌های کلاسیک غیرقابل حل هستند. در حالی که رایانه‌های کوانتومی هنوز در مراحل اولیه توسعه هستند، این پتانسیل را دارند که زمینه‌هایی مانند رمزنگاری، شیمی و علم مواد را با اجازه دادن به محققان برای حل مسائلی که در حال حاضر حل آن‌‌‌ها با رایانه‌های کلاسیک غیرممکن است، متحول کنند.
 رمزنگاری کوانتومی  رمزنگاری کوانتومی از اصول مکانیک کوانتومی برای ایجاد سیستم‌‌‌های ارتباطی امن استفاده می‌‌‌کند که شنود آن‌‌‌ها غیرممکن است.
سنجش کوانتومی   اندازه‌‌‌گیری کوانتومی فرایند استخراج اطلاعات از یک سیستم کوانتومی با مشاهده یا تعامل با آن به نحوی است. یکی از ویژگی‌‌‌های کلیدی اندازه‌‌‌گیری کوانتومی این است که اساساً احتمالاتی است. وقتی یک سیستم کوانتومی را اندازه گیری می‌‌‌کنیم، فقط می‌‌‌توانیم احتمالات پیامدهای مختلف را پیش‌‌‌بینی کنیم، نه این‌‌‌که مانند فیزیک کلاسیک یک نتیجه قطعی را پیش‌‌‌بینی کنیم. یکی دیگر از ویژگی‌‌‌های مهم اندازه‌‌‌گیری کوانتومی این است که می‌‌‌تواند حالت کوانتومی سیستم را به یک حالت منفرد تبدیل کند، فرایندی که به نام فروپاشی تابع موج شناخته می‌‌‌شود. این بدان معنی است که عمل اندازه‌‌‌گیری یک سیستم کوانتومی می‌‌‌تواند به طور اساسی خواص آن را تغییر دهد. اندازه‌گیری کوانتومی فرایندی پیچیده و غیرمعمول است که هنوز موضوع تحقیقات و بحث‌های زیادی در بین فیزیکدانان است.
 تصویربرداری کوانتومی  تصویربرداری کوانتومی رشته‌ای است که از اصول مکانیک کوانتومی برای ایجاد تصاویری با وضوح، حساسیت و دقت بالاتر نسبت به تکنیک‌های تصویربرداری سنتی استفاده می‌کند. یکی از تکنیک‌‌‌های رایج در تصویربرداری کوانتومی، تصویربرداری «ارواح کوانتومی» نام دارد که از جفت فوتون‌‌‌های درهم تنیده برای ایجاد تصاویری از اجسام بدون این‌‌‌که مستقیماً آن‌‌‌ها را روشن کند، استفاده می‌‌‌کند. این به محققان اجازه می‌‌‌دهد تا تصاویری از اشیای ظریف یا حساس ایجاد کنند که با تکنیک های تصویربرداری سنتی آسیب می بینند یا از بین می‌‌‌روند. تکنیک دیگری به نام «میکروسکوپ درهم تنیدگی کوانتومی»، از فوتون‌‌‌های درهم تنیده برای ایجاد تصاویری با وضوح کمتر از طول موج استفاده می‌‌‌کند و به محققان این امکان را می‌‌‌دهد که سیستم های بیولوژیکی و نانومقیاس را با جزئیات بی سابقه ای مطالعه کنند. تصویربرداری کوانتومی کاربردهای بالقوه زیادی در زمینه‌هایی مانند زیست‌شناسی، پزشکی و علم مواد دارد، زیرا به محققان اجازه می‌دهد تا سیستم‌های پیچیده را در سطح کوانتومی با دقت و وضوح بی‌سابقه مطالعه کنند.