استفاده از کامپیوترهای کوانتومی برای آزمودن بنیان‌های فیزیک

استفاده از کامپیوترهای کوانتومی برای آزمودن بنیان‌های فیزیک

یک الگوریتم توسعه‌یافته‌ی جدید، پنجره‌ای به درک گذار اشیای کوانتومی به اشیای کلاسیکی باز می‌کند.

اگر بتوانید با بزرگ‌نمایی فراتر از بیشتر میکروسکوپ‌ها، به اشیای اطراف خود نگاهی به قدر کافی دقیق بیاندازید، در نهایت می‌توانید به نقطه‌ای برسید که قوانین آشنای تجربیات روزمره‌ی شما درهم می‌شکند. در مقیاسی که سلول‌های خونی و ویروس‌ها بزرگ دیده شوند و مولکول‌ها به چشم بیایند، چیزها دیگر از قوانین ساده‌ای که در دوره‌ی دبیرستان یاد ‌گرفته‌ایم، تبعیت نمی‌کنند.

اتم‌ها که از الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها ساخته شده‌اند، مانند سنگ‌های مرمر وجود ندارند، بلکه همچون ابرهایی پخش‌ شده‌اند که درک آن‌ها سخت بوده و توصیف آن‌ها بدون استفاده از ریاضیات پیچیده‌ی مکانیک کوانتومی ممکن نیست.

با این حال، اتم‌ها مولکول‌ها را می‌سازند که به نوبه‌ی خود، واحدهای سازنده‌ی سنگ‌های مرمر و هر چیز دیگری هستند که ما هر روز با آن‌ها سروکار داریم. طبیعت، به وضوح راهی برای مهار و کنترل رفتار کوانتومی اشیای کوانتومی که به شکل چیزهای آشنای محیط اطراف ما در آمده‌اند، یافته است.

پدیده‌هایی مثل یک پرتاب بیسبالی یا پرواز یک بمب‌افکن که از قوانین کلاسیک فیزیک، تبعیت می‌کنند، چگونه می‌توانند از بخش‌هایی تشکیل شوند که تحت حکمرانی قوانین کوانتومی هستند؟ این یکی از عمیق‌ترین سوالات در فیزیک مدرن است. پژوهش جدید محققان می‌تواند به چگونگی ظهور دنیای کلاسیک از بنیانی کوانتومی کمک کند.

یک الگوریتم محاسبات کوانتومی که توسط دانشمندان آزمایشگاه ملی لوس‌آلاموس و دانشگاه کالیفرنیا توسعه یافته، پنجره‌ جدیدی به ارتباط بین دنیاهای کلاسیکی و کوانتومی و انتقالی که باید در گذار از کوچکترین مقیاس‌ها به جهان ماکروسکوپی رخ دهد باز می‌کند.

فیزیکدانان برای مطالعه‌ی گذار کوانتوم-به-کلاسیک، باید میزان نزدیک بودن عمل سیستم کوانتومی به کلاسیکی بودن را بررسی کنند. ‌آن‌ها باید به این حقیقت که اشیای کوانتومی از دوگانگی موج-ذره تبعیت می‌کنند، توجه کنند: چیزهایی که ما آن‌ها را ذره می‌پنداریم، مانند الکترون‌ها، می‌توانند در برخی شرایط مانند موج عمل کنند و چیزهایی که ما آن‌ها را موج می‌پنداریم، مانند نور، می‌توانند مانند ذراتی عمل کنند که ما آن‌ها را فوتون می‌نامیم.  در یک سیستم کوانتومی، حالت‌های موج‌گونه‌ی ذرات می‌توانند با یکدیگر، با روشی شبیه امواج اقیانوس تداخل کرده و گاهی به هم اضافه شوند و گاهی یکدیگر را خنثی ‌کنند.

یک سیستم کوانتومی فاقد تداخل، به جای قوانین کوانتومی می‌تواند با استفاده از قوانین کلاسیک توصیف شود. الگوریتمی که به تازگی توسعه یافته، حل‌های عاری از تداخلی، مقلب به تاریخچه‌ های سازگار (consistent histories) را جستجو می‌کند که همان‌هایی هستند که ما درنهایت در دنیای کلاسیکی مشاهده می‌کنیم.

برای سیستم‌های چنداتمی، پیدا کردن تاریخچه‌ های سازگار، بسیار بدیهی است، اما برای سیستم‌هایی که از اجزای زیادی ساخته‌ شده‌اند، محاسبات گذار کوانتوم-به-کلاسیک، به صورت آزاردهنده‌ای سخت حل می‌شود. تعداد سوالات، با افزایش تعداد اتم‌ها، به سرعت رشد می‌کند. در واقع، برای سیستم‌هایی که بیشتر از چند اتم دارند، محاسبات، حتی در قدرتمندترین ابر‌کامپیوترها به سرعت رام‌نشدنی می‌شود.

این الگوریتم جدید برای تاریخچه‌ های سازگار، به منظور غلبه بر انفجار محاسباتی، به یک کامپیوتر کوانتومی تکیه می‌کند و میزان کلاسیکی‌ بودن رفتار یک سیستم کوانتومی را اندازه می‌گیرد. بر خلاف کامپیوترهای مرسوم که داده‌‌های ساخته شده از ۰ و ۱ را دستکاری می‌کنند، کامپیوترهای کوانتومی، داده را به صورت ترکیب‌های کوانتومی از اعداد، دستکاری و ذخیره می‌کنند. مشابه اینکه یک اتم چطور به جای حضور در یک نقطه، به صورت یک ابر کوانتومی وجود دارد، داده‌ها در یک کامپیوتر کوانتومی، یک عدد منفرد نیستند، بلکه یک برهم نهی از اعداد زیادی هستند.

اگرچه هنوز کامپیوترهای به حد کافی قدرتمند، برای حل مسائل معنادار وجود ندارد، اما به صورت نظری می‌توان نشان داد که آن‌ها می‌توانند محاسبات مهمی، به صورت نمایی سریع‌تر از کامپیوتر‌های مرسوم انجام دهند. کامپیوتر‌های کوانتومی با استفاده از الگوریتم تاریخچه های سازگار، می‌توانند دشواری‌های مطالعه‌ی گذار کوانتوم-به-کلاسیک را پشت سر بگذارند؛ دقیقاً به دلیل اینکه آن‌ها تحت قوانین مشابهی با قوانین حاکم بر اتم‌ها و موجودات کوانتومی کار می‌کنند، یعنی یک راه‌حل بالقوه‌ی عالی برای مسئله‌ای که فیزیکدانان را دهه‌ها آزار داده است.


منبع: scientificamerican
كلمات كليدي :
کامپیوتر کوانتومی
 
امتیاز دهی
 
 

login