به روزترین مقالات
فیزیکدانان با استفاده از کامپیوتر کوانتومی، زمان را در کوچکترین مقیاس معکوس کردند

فیزیکدانان با استفاده از کامپیوتر کوانتومی، زمان را در کوچکترین مقیاس معکوس کردند

آزمایشی که اوایل امسال انجام شد، نشان می‌دهد چقدر می‌توانیم در مورد تشخیص گذشته از آینده حداقل در ابعاد کوانتومی، انتظار تحول داشته باشیم. محققان روسیه و ایالات متحده در تلاشند تا راهی برای شکستن یا حداقل تغییر یکی از بنیادی‌ترین قوانین فیزیک در مورد انرژی پیدا کنند.

قانون دوم ترمودینامیک، یک قانون ساده و بسیار پراهمیت برای جهان است و می‌گوید اجسام گرم در طول زمان سردتر می‌شوند، زیرا انرژی تبدیل شده و از جاهایی که بیشترین دما را دارند، به جاهای دیگر منتقل می‌شود. این اصل توضیح می‌دهد چرا قهوه شما در اتاق سرد، داغ نمی‌ماند، چرا شکستن تخم ‌مرغ، راحت‌تر از جمع کردن آن است. به همین دلیل است که هیچ کس تاکنون نتوانسته، ماشینی با حرکت دائمی بسازد. در واقع، قانون دوم ترمودینامیک توضیح می‌دهد چرا می‌توانیم شام شب گذشته را به یاد آوریم، اما هیچ خاطره‌ای از کریسمس بعدی نداریم. گوردی لسوویک (Gordey Lesovik) فیزیکدان کوانتومی موسسه فیزیک و فناوری مسکو می‌گوید:

قانون دوم ترمودینامیک، به مفهوم پیکان زمانی مربوط است که جهت یک طرفه‌ی زمان از گذشته به آینده را نشان می‌دهد.

تقریبا هر قانون دیگری در فیزیک را می‌توان بدون از دست دادن معنایش، معکوس کرد. مثلا، اگر برخورد بین دو توپ بیلیارد را به صورت معکوس ببینید، برایتان عجیب نخواهد بود. اما اگر ببینید توپ‌ها از کیسه‌ها بیرون می‌ریزند و یک هرم را می‌سازند، بسیار متعجب خواهید شد. این تجارب، قانون دوم ترمودینامیک را نشان می‌دهند.

در مقیاس ماکروسکوپی، مانند بازی‌های بیلیارد یا درست کردن تخم مرغ، نباید انتظار ضعف قوانین ترمودینامیکی داشته باشیم. اما اگر روی ادوات کوچک واقعی تمرکز کنیم، که در اینجا منظورمان الکترون‌های منفرد است، روزنه‌هایی از نقاط ضعف ظاهر می‌شوند. الکترون‌ها مانند توپ‌های کوچک بیلیارد نیستند، آن‌ها بیشتر شبیه اطلاعاتی هستند که فضا را اشغال می‌کنند. جزئیات الکترون‌ها توسط معادله شرودینگر تعریف می‌شود که این معادله، احتمال ویژگی‌های الکترون را به عنوان موجی از تصادف مشخص می‌کند.

شاید کمی گیج‌کننده باشد، پس بیایید به بازی بیلیارد بازگردیم، اما این بار چراغ‌ها خاموش باشد. فرض کنید توپی را در دست دارید و سپس آن را روی میز می‌غلتانید. معادله شرودینگر می‌گوید آن توپ در جایی روی میز بیلیارد و با سرعتی مشخص، در حال حرکت است. به زبان کوانتومی، توپ همه جا و با طیف وسیعی از سرعت‌ها روی میز است. شما می‌توانید جلوتر بیایید و موقعیت دقیق آن را مشخص کنید، اما دیگر نمی‌توانید در مورد سرعتی که با آن در حال حرکت بوده، مطمئن باشید. یا می‌توانستید انگشت خود را به آرامی‌ روی آن قرار دهید و از مقدار سرعتش اطمینان حاصل کنید، اما حالا موقعیت آن کجاست؟ دیگر نمی‌دانید!

با این حال، ترفند دیگری هم هست که می‌توانید استفاده کنید. بعد از این که توپ را می‌غلتانید، می‌توانید کاملا مطمئن باشید که هنوز نزدیک دست شما و در حال حرکت با سرعت زیادی است. معادله شرودینگر نیز همین را درباره‌ی ذرات کوانتومی پیش‌بینی می‌کند. با گذشت زمان، احتمالات موقعیت ذره و سرعت آن، بیشتر و بیشتر می‌شوند. اما والری وینکور (Valerii Vinokur)دانشمند مواد از آزمایشگاه ملی آرگون آمریکا می‌گوید:

با این حال معادله شرودینگر برگشت‌پذیر است. برگشت‌پذیر بودن از نظر ریاضی، به این معناست که معادله شرودینگر تحت یک تبدیل خاص به نام مزدوج مختلط، یک الکترون را در ناحیه‌ی کوچکی از فضا و در همان دوره زمانی توصیف می‌کند. مثل این می‌ماند توپی که روی میز می‌غلتانید، دیگر در موجی از بی‌نهایت موقعیت‌های ممکن روی میز،گسترش نیابد، بلکه دوباره به سمت شما برگردد. به لحاظ نظری، هیچ مانعی برای رخ دادن خودبه‌خودی این اتفاق وجود ندارد؛ هر چند که احتمال رخد‌اد آن، بسیار بسیار اندک است.

این گروه تحقیقاتی، حالت‌های نامشخص ذرات در یک کامپیوتر کوانتومی را به عنوان توپ بیلیارد در نظر می‌گیرند و با ترفندهایی‌ هوشمندانه، این کامپیوتر کوانتومی را به عنوان «ماشین زمان» به کار می‌برند. هر یک از این حالت‌ها یا کیوبیت‌ها، یک حالت ساده را نشان می‌دهند که به دستی مربوط می‌شوند که توپ را نگه داشته است. وقتی کامپیوتر کوانتومی راه‌‌اندازی شد، این حالت‌ها به طیف وسیعی از احتمالات گسترده می‌‌شوند. با تغییر شرایط راه‌اندازی این کامپیوتر کوانتومی، احتمالات به گونه‌ای محدود شدند که عمدا موجب معکوس شدن معادله شرودینگر گردیدند.

محققان برای آزمایش این کامپیوتر کوانتومی، دوباره آن را راه‌اندازی کردند، مثل اینکه به میز بیلیارد لگد بزنیم و متوجه بازآرایی توپ‌های پراکنده به شکل هرم اولیه شویم. حدود 85 درصد آزمایشات بر اساس دو کیوبیت انجام شدند. الگوریتم‌های مورد استفاده برای دستکاری معادله شرودینگر، منجر به افزایش دقت کامپیوترهای کوانتومی گردید.

این، اولین بار نیست که محققان، بنیان‌های قانون دوم ترمودینامیک را به لرزه در می‌آورند. گروه دیگری در سال‌های پیش، با درهم تنیده کردن ذرات و کنترل گرم و سرد شدن آ‌ن‌ها، سیستمی مانند یک ماشین حرکت دائمی ساختند. محدود کردن این قوانین فیزیکی در مقیاس کوانتومی، می‌تواند به ما کمک کند بفهمیم، چرا چهان به گونه‌ای که می‌بینیم، وجود دارد.
 


مشاهده مقاله اصلی در مجله
منبع: sciencealert
كلمات كليدي :
کامپیوتر کوانتومی , معکوس کردن زمان , نقض قانون دوم ترمودینامیک
 
امتیاز دهی
 
 

بيشتر