فیزیک کوانتوم و نسل بعدی رایانه ها

جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۲ به دیوید واینلند آمریکایی و سرژ هروش فرانسوی تعلق گرفت حتما طی یکی دو ماه گذشته این خبر را خوانده اید, اما دستاورد این دو دانشمند چه بوده که آنها را مستحق دریافت این جایزه بزرگ و افتخارآفرین کرده بود و این دستاورد چه تاثیری بر زندگی روزمره ما خواهد داشت

جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۲ به دیوید واینلند آمریکایی و سرژ هروش فرانسوی تعلق گرفت. حتما طی یکی دو ماه گذشته این خبر را خوانده‌اید، اما دستاورد این دو دانشمند چه بوده که آنها را مستحق دریافت این جایزه بزرگ و افتخارآفرین کرده بود و این دستاورد چه تاثیری بر زندگی روزمره ما خواهد داشت؟

این دانشمندان، موفق به انجام آزمایشی شدند که می‌تواند زمینه ساخت رایانه‌های کوانتومی و ساعت‌های فوق‌العاده دقیق را فراهم کند. رایانه‌های کوانتومی نسل بعدی رایانه‌ها هستند که می‌توانند مدت انجام محاسبات پیچیده را از چند ماه به چند ثانیه کاهش دهند. ساعت‌های نوری نیز نسل بعد از ساعت‌های سزیمی هستند که خطای آنها فقط پنج ثانیه در ۱۴ میلیارد سال است.

این فناوری‌های حیرت‌انگیز تنها با به دام انداختن یک فوتون یا اتم و برخورد دادن آن با یک ذره دیگر و بررسی خواص کوانتومی آنها در دسترس دانشمندان قرار گرفته است. آزمایشی که تا مدتی پیش غیرممکن به نظر می‌رسید چراکه مشاهده یک ذره، خاصیت کوانتومی آن را از بین می‌برد. رفتار جهان در مقیاس اتمی و زیراتمی با آنچه ما به آن عادت کرده‌ایم بسیار متفاوت است. در جهان آشنای ما، هر جسم در یک زمان بخصوص و فقط در یک حالت وجود دارد. اگر اتومبیل شما در پارکینگ است اطمینان دارید که در هیچ جای دیگری نیست ولی یک الکترون می‌تواند در یک زمان در بیش از یک نقطه وجود داشته باشد. اگر الکترون را به اتومبیل تشبیه کنیم، آزمایش واینلند و هروش ثابت می‌کند طبق نظریه کوانتوم، اتومبیل شما دقیقا در همان لحظه توقف در پارکینگ، در حال حرکت در خیابان نیز هست. اینشتین این نظریه را عجیب و ترسناک می‌دانست ولی آنچه برای دانشمندان قابل استناد است، فقط نتایج به دست آمده در آزمایشگاه‌هاست و تا به امروز همه آزمایش‌ها، صحت نظریه کوانتوم را تائید کرده‌اند. این نظریه اصل بنیادین تمدن مدرن است. ترانزیستورها، اینترنت و لیزر نمونه‌هایی از فناوری جدید هستند که براساس قوانین مکانیک کوانتوم ساخته شده‌اند. نظریه کوانتوم از آزمایش‌هایی با دقت حیرت‌انگیز یک در یکصد میلیارد سربلند بیرون آمده و لقب موفق‌ترین نظریه تاریخ علم را از آن خود کرده است.

طبق قوانین کوانتوم به محض این که مشاهده‌کننده‌ای با ذره‌ای وارد کنش متقابل شود و برای اندازه‌گیری وضع دقیق آن اقدام کند، ماده در یکی از حالت‌های خود ثابت می‌شود. در واقع همین که شخصی به شما اطلاع می‌دهد اتومبیل شما را در یک خیابان دیده است و شما برای اطمینان از گفته او به آن خیابان می‌روید، هیچ اثری از آن نمی‌یابید و با اطمینان ادعا می‌کنید اتومبیل فقط در پارکینگ وجود دارد ولی همه شواهد و مدارک خلاف ادعای شما را اثبات می‌کند. مثلا در همان زمان چند مامور پلیس در چند شهر مختلف اتومبیل شما را جریمه کرده‌اند. اگر این موضوع برایتان غیرعادی و بیشتر شبیه داستان‌های خیالی است به این دلیل است که اجرام بزرگی مانند بدن ما تابع قوانین نیوتن هستند که برای جسم، مکان منحصربه‌فردی در نظر می‌گیرد ولی علم به ما می‌آموزد اعتبار بخشیدن به عادت‌های ذهنی تا جایی معقول است که با یافته‌های آزمایشگاهی و نظریات علمی در تناقض نباشد. در دنیای ذرات، قوانین فیزیک تا حدود زیادی باورهای عادی ما را از ماهیت جهان هستی به چالش می‌کشد.

● نحوه انجام آزمایش

هروش و واینلند از دو روش متفاوت ولی مشابه برای انجام آزمایشات خود استفاده کردند. هروش در این باره می‌گوید: «من از اتم‌ها برای مطالعه فوتون‌ها استفاده می‌کنم و واینلند از فوتون‌ها برای مطالعه اتم‌ها.» هروش در دستگاه ابداعی خود، دو آینه بسیار صیقلی را روبه‌روی یکدیگر قرار داد و چند فوتون را میان آن دو به نوسان واداشت. فوتون‌ها قبل از خارج شدن از دستگاه یا جذب شدن توسط محیط، به مدت ۱‌/‌۰ ثانیه بین دو آینه در حرکت بودند.

نکته: ساخت ساعت‌های نوری فوق‌العاده دقیق از دیگر دستاوردهای این آزمایش‌هاست. اگر یکی از این ساعت‌ها را در لحظه آغاز جهان تنظیم کرده باشید، تا امروز در بدترین حالت، کمتر از ۵ ثانیه خطا داشته است

سپس اتم‌های ریدبرگ که کنش متقابل بسیار زیادی با فوتون‌ها دارند و هزار مرتبه از اتم‌های عادی بزرگ‌تر هستند به درون دستگاه هدایت شدند. با اندازه‌گیری تغییر ایجاد شده در طول موج اتم‌های ریدبرگ که در اثر برخورد با فوتون‌ها ایجاد شده است می‌توان مقدار انرژی و حالت کوانتومی فوتون‌های داخل دستگاه را اندازه گرفت. اتم‌های ریدبرگ را اتم‌های جاسوس نیز می‌نامند زیرا بدون این که حضور ما احساس شود اطلاعات فوتون‌های داخل دستگاه را برایمان جمع‌آوری می‌کنند. در شرایط معمولی مشاهده رفتار فوتون‌ها ممکن نیست چون مشاهده یعنی جذب آنها توسط شبکیه چشم یا لنز دوربین.

● رایانه کوانتومی

احتمالا اولین دستاورد عملی این موفقیت، پیشرفت رایانه‌های کوانتومی خواهد بود. اساس کار رایانه‌های امروزی بر ترانزیستورهای سیلیکونی بنا شده است ولی دانشمندان تقریبا به حد نهایی ظرفیت ترانزیستورها نزدیک شد‌ه‌اند و روند ساخت رایانه‌های پرقدرت هر روز کندتر می‌شود. قانون مور که بیان می‌کند قدرت رایانه‌ها هر ۱۸ ماه یک بار دو برابر می‌شود در حال فروپاشی است. محققان با کشف قابلیت‌های کوانتومی ذرات به فکر استفاده از ذرات به جای ریزتراشه‌های سیلیکونی افتادند. حافظه رایانه‌های معمولی از بیت‌هایی ساخته‌شده که به صورت صفر و یک عمل می‌کند. در یک لحظه بخصوص آنها یا در حالت صفر هستند یا در حالت یک. در یک رایانه فرضی با ۴ بیت حافظه، رایانه می‌تواند ۱۶ حالت ممکن داشته باشد ولی در یک لحظه فقط می‌تواند در یکی از این حالت‌ها قرار بگیرد چراکه برای تغییر صفر به یک یا بالعکس و عبور به وضع بعدی به زمان نیاز داریم ولی طبق نظریه کوانتوم ذراتی مانند اتم‌ها می‌توانند در آن واحد در بیش از یک حالت وجود داشته باشند. بنابراین در رایانه‌های کوانتومی یک بیت که کیوبیت نامیده می‌شود می‌تواند همزمان، هم صفر و هم یک باشد.

به عبارت دیگر یک رایانه ۴ بیتی می‌تواند به طور همزمان در ۱۶ وضع ممکن محاسبات را انجام دهد و فقط وقتی انسان تصمیم به خواندن نتیجه محاسبات می‌گیرد در یک وضع از وضع‌های ممکن قرار گیرد و نتیجه محاسبات موازی را در اختیار او می‌گذارد. با استفاده از این روش، محاسبات عملا روی اتم‌ها انجام می‌گیرد. اگر این رایانه‌ها ساخته شوند شکستن پیچیده‌ترین کدهای امنیتی که با رایانه‌های معمولی هزاران سال به طول می‌انجامد، تنها مدت چند ساعت تا چند ماه امکان‌پذیر می‌شود. محققان موفق به ساخت نمونه‌های ابتدایی این نوع رایانه شده و توانسته‌اند محاسباتی مانند ۱۵=۳×۵ را به وسیله آن انجام دهند! بزرگ‌ترین مانع بر سر راه این رایانه‌ها شیوه نزدیک شدن به ذرات و کارکردن با آنها بدون از بین‌بردن حالت کوانتومی آنهاست که هروش و واینلند با ایده ذرات جاسوس این مشکل را تا حدود زیادی حل کرده‌اند. البته مشکل دیگری هم وجود دارد و آن ایجاد خلاء کامل برای ذرات محاسبه‌گر است.

برخورد حتی یک ذره مانند ذره‌ای که از یک توفان خورشیدی یا انفجار ابرنواختری دوردست به کره زمین رسیده است، حالت کوانتومی ذرات را از بین می‌برد. برای ساخت یک رایانه کوانتومی با قدرت یک لپ‌تاپ معمولی به هزاران اتم نیاز داریم که بتوانند به صورت کاملا هماهنگ با یکدیگر ارتعاش کنند. برخورد حتی یک مولکول هوا با یکی از این اتم‌ها، رایانه را از کار خواهد انداخت. اگر این موانع برطرف شود تحولی که رایانه‌های کوانتومی در زندگی بشر ایجاد می‌کنند، درست مانند تحولی است که ظهور رایانه در زندگی بشر به وجود آورد.

● ساعت فوق دقیق

ساخت ساعت‌های نوری فوق‌العاده دقیق از دیگر دستاوردهای این آزمایش‌هاست. دقت ساعت‌های نوری که بر پایه حرکت ذرات در مقیاس کوانتومی ساخته می‌شوند، باورنکردنی است. اگر یکی از این ساعت‌ها را در لحظه آغاز جهان تنظیم کرده باشید، تا امروز در بدترین حالت، کمتر از ۵ ثانیه خطا داشته است.

با توجه به این‌که عالم هستی در لحظه پیدایش، از یک الکترون هم کوچک‌تر بوده است به نظر نمی‌رسد وجود چنین تفاوت بزرگی میان قوانین حاکم بر ذرات و اجرام بزرگ واقعی باشد. یافتن یک نظریه جامع و یکپارچه که بتواند قوانین کوانتوم و نسبیت اینشتین را پیوند دهد و پرده از راز تبدیل یک ذره زیراتمی به دنیای شگفت‌انگیز ما بردارد، بزرگ‌ترین رویای فیزیکدانان است. کاری که اینشتین آن را «خواندن ذهن خداوند» می‌دانست.

مسعود توکلی