مطالعات جدید ساخت لیزر اتمی

اما اکنون، در مطالعه جدید منتشر شده در نیچر، فیزیکدانان راهی برای ایجاد امواج ماده ابدی ابداع کرده‌اند. ذرات بنیادی در طبیعت در دو نوع بوزون و فرمیون وجود دارند. در حالی که فرمیون ها در طبیعت سخت هستند، بوزون ها نرم هستند و می توانند به راحتی در یکدیگر حرکت کنند. فوتون، کوچکترین مقدار ممکن نور، یکی از این نمونه های بوزون است. بوزون ها ویژگی خاصی دارند که به دلیل آن می توانند در یک موج منسجم متراکم شوند. تراکم حاصل از ذرات ماده را میعان بوز-اینشتین می نامند.

با استفاده از BEC، دانشمندان توانستند نوع پالسی لیزرهای اتمی را بسازند، اما نتوانستند یک لیزر پیوسته را به مدت 25 سال بسازند.
BECها ذاتاً شکننده هستند و با تابش نور به آنها از بین می روند. اما نور نیز در تشکیل میعانات مورد نیاز است. به همین دلیل، BEC ها را فقط می توان در فوران های زودگذر ساخت.

این مشکل طولانی مدت در مطالعه جدید ساخت لیزر اتمی حل شد. در آزمایش‌های قبلی ساخت لیزر اتمی، خنک‌سازی تدریجی اتم‌ها همه در یک مکان انجام می‌شد. فلوریان شرک، رهبر تیم توضیح داد:در تجربیات قبلی، مراحل خنک کاری اتم‌ها در یک مکان صورت می‌گرفت. ما در تنظیماتی جدید، تصمیم گرفتیم مراحل خنک‌کاری را بر اساس زمان انجام ندهیم و در عوض بر اساس مکان انجام دهیم بدین ترتیب که ما اتم ها را در حالی که از مراحل پی در پی خنک کاری در حال گذر بودند، وادار به حرکت کردیم.

او همچنین بیان می‌کند که اتم های فوق سرد در پایان به قلب آزمایش می رسند، جایی که می توان از آنها برای ایجاد امواج ماده منسجم در BEC استفاده کرد. او تاکید کرد که در حالی که اتم ها در حال استفاده هستند، اتم های جدید جای آنها را می گیرند و BEC را دوباره پر می کنند و به این ترتیب، ما می توانیم این روند را تا ابد ادامه دهیم.
در حال حاضر، محققان در صدد ایجاد نه تنها یک پرتو پیوسته، بلکه یک پرتو پایدار از اتم ها هستند تا بتوان از آن در کاربردهای مختلف استفاده کرد و یک لیزر اتمی ابدی ساخت.

منبع : گجت 360

با این حال، آنها کامپیوترهای معمولی را از بین نخواهند برد. استفاده از یک ماشین کلاسیک همچنان ساده ترین و مقرون به صرفه ترین راه حل برای مقابله با اکثر مشکلات خواهد بود. اما کامپیوترهای کوانتومی نویدبخش پیشرفت‌های هیجان‌انگیز در زمینه‌های مختلف، از علم مواد گرفته تا تحقیقات دارویی هستند.

شرکت‌ها در حال آزمایش با آنها هستند تا چیزهایی مانند باتری‌های سبک‌تر و قوی‌تر برای ماشین‌های الکتریکی تولید کنند و به تولید داروهای جدید کمک کنند.

راز قدرت یک کامپیوتر کوانتومی در توانایی آن برای تولید و دستکاری بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها نهفته است.

کیوبیت چیست؟

کامپیوترهای امروزی از بیت ها استفاده می کنند – جریانی از پالس های الکتریکی یا نوری که نشان دهنده 1 یا 0 است. همه چیز از توییت‌ها و ایمیل‌های شما گرفته تا آهنگ‌ها و ویدیوهای شما اساساً رشته‌های طولانی این ارقام صفر و یکی هستند.

اما کامپیوتر کوانتومی از کیوبیت‌ها استفاده می‌کند که معمولاً ذرات زیراتمی مانند الکترون‌ها یا فوتون‌ها هستند. تولید و مدیریت کیوبیت ها یک چالش علمی و مهندسی است. برخی از شرکت ها برای مدیریت کیوبیت‌ها، مانند IBM، Google و Rigetti Computing از مدارهای ابررسانا استفاده می کنند که تا دمایی پایین تر از اعماق فضا، خنک می شوند.

برخی دیگر، مانند IonQ، اتم‌های منفرد را در میدان‌های الکترومغناطیسی روی یک تراشه سیلیکونی در محفظه‌هایی با خلاء فوق‌العاده به دام می‌اندازند. در هر دو مورد، هدف جداسازی کیوبیت ها در یک حالت کوانتومی کنترل شده است.

کیوبیت ها دارای برخی ویژگی های کوانتومی عجیب و غریب هستند که به این معنی است که یک گروه متصل از آنها می توانند قدرت پردازش بیشتری نسبت به همان تعداد بیت دودویی ارائه دهند. یکی از آن ویژگی ها به نام برهم نهی و دیگری به نام درهم تنیدگی شناخته می شود.

برهم نهی چیست؟

کیوبیت ها می توانند چندین ترکیب ممکن از 1 و 0 را به طور همزمان نشان دهند. این توانایی همزمانی در چندین حالت برهم نهی نامیده می شود. برای قرار دادن کیوبیت ها در برهم نهی، محققان آنها را با استفاده از لیزرهای دقیق یا پرتوهای مایکروویو دستکاری می کنند.

به لطف این پدیده شهودی، یک کامپیوتر کوانتومی با چندین کیوبیت در برهم نهی می‌تواند تعداد زیادی از نتایج بالقوه را به طور همزمان شکست دهد. نتیجه نهایی یک محاسبات تنها زمانی پدیدار می‌شود که کیوبیت‌ها اندازه‌گیری شوند، که بلافاصله باعث می‌شود حالت کوانتومی آنها به 1 یا 0 فرو بریزد.

درهم تنیدگی چیست؟

محققان می‌توانند جفت‌هایی از کیوبیت‌ها را تولید کنند که «درهم‌تنیده» هستند، به این معنی که دو عضو یک جفت در یک حالت کوانتومی واحد وجود دارند. تغییر وضعیت یکی از کیوبیت‌ها، فوراً وضعیت دیگری را به روشی قابل پیش‌بینی تغییر می‌دهد. این اتفاق حتی اگر آنها با فاصله‌ای بسیار دور از هم قرار بگیرند، رخ می‌دهد.

هیچ کس واقعاً نمی داند که چگونه یا چرا درهم تنیدگی کار می کند. این حتی انیشتین را گیج کرد، که آن را به عنوان معروف “عمل شبح آور از راه دور” توصیف کرد. اما این کلید قدرت کامپیوتر کوانتومی است. در یک کامپیوتر معمولی، دو برابر شدن تعداد بیت ها، قدرت پردازش آن را دو برابر می کند. اما به لطف درهم تنیدگی، افزودن کیوبیت‌های اضافی به یک کامپیوتر کوانتومی باعث افزایش تصاعدی در توانایی محاسبات پیچیده ریاضی می‌شود.

کامپیوتر کوانتومی کیوبیت‌های درهم‌تنیده را در نوعی زنجیره کوانتومی مهار می‌کنند تا جادوی خود را انجام دهد. دلیل سر و صدای زیاد در مورد پتانسیل این کامپیوتر‌ها، توانایی زیاد این ماشین‌ها برای سرعت بخشیدن به محاسبات با استفاده از الگوریتم‌های کوانتومی طراحی‌شده مخصوص است.

این خبر خوب است. خبر بد این است که کامپیوتر کوانتومی به دلیل عدم انسجام، نسبت به کامپیوترهای کلاسیک مستعد خطاست.

عدم انسجام چیست؟

برهمکنش کیوبیت ها با محیطشان به گونه ای که باعث تحلیل رفتن رفتار کوانتومی آنها و در نهایت ناپدید شدن آنها شود، عدم انسجام نامیده می شود.

حالت کوانتومی کیوبیت‌ها بسیار شکننده است. کوچک‌ترین ارتعاش یا تغییر دما – اختلالاتی که در مباحث کوانتومی به عنوان “نویز” شناخته می‌شود – می‌تواند باعث شود قبل از اینکه کارشان به درستی انجام شود، از برهم‌نهی خارج شوند. به همین دلیل است که محققان تمام تلاش خود را برای محافظت از کیوبیت ها در برابر دنیای بیرون از یخچال های فوق خنک و محفظه های خلاء استفاده می‌کنند.

اما علیرغم تلاش آنها، نویز همچنان باعث اشتباهات زیادی در محاسبات می شود. الگوریتم‌های کوانتومی هوشمند می‌توانند برخی از این موارد را جبران کنند و افزودن کیوبیت‌های بیشتر نیز کمک می‌کند. با این حال، احتمالاً هزاران کیوبیت استاندارد برای ایجاد یک کیوبیت واحد و بسیار قابل اعتماد که به عنوان کیوبیت “منطقی” شناخته می شود، نیاز است. این امر ظرفیت محاسباتی یک کامپیوتر کوانتومی را کاهش می دهد.

و نکته مهم اینجاست: تا کنون، محققان نتوانسته اند بیش از 128 کیوبیت استاندارد تولید کنند. بنابراین ما هنوز سال‌ها با دستیابی به رایانه‌های کوانتومی مفید و در دسترس فاصله داریم.

این امید پیشگامان را برای اینکه جزء اولین کسانی باشند که «برتری کوانتومی» را نشان می‌دهند، از بین نبرده است.

برتری کوانتومی چیست؟

این نقطه‌ای است که در آن یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند یک محاسبات ریاضی را انجام دهد که از توانایی قوی‌ترین ابررایانه‌ها نیز خارج است.

هنوز مشخص نیست که دقیقاً چند کیوبیت برای دستیابی به این هدف مورد نیاز است، زیرا محققان به یافتن الگوریتم‌های جدید برای افزایش عملکرد ماشین‌های کلاسیک ادامه می‌دهند و سخت‌افزار ابر محاسباتی بهتر می‌شود. اما محققان و شرکت‌ها به سختی تلاش می‌کنند تا این عنوان را به خود اختصاص دهند و آزمایش‌هایی را در مقابل برخی از قدرتمندترین ابررایانه‌های جهان انجام دهند.

در دنیای تحقیقات بحث های زیادی در مورد اینکه دستیابی به این نقطه عطف چقدر خواهد بود وجود دارد. شرکت ها به جای اینکه منتظر اعلام برتری باشند، در حال حاضر شروع به آزمایش کامپیوترهای کوانتومی ساخته شده توسط شرکت هایی مانند IBM، Rigetti و یک شرکت کانادای به نام D-Wave،نموده‌اند.

شرکت های چینی مانند علی بابا نیز دسترسی به ماشین های کوانتومی را ارائه می دهند. برخی از کسب و کارها کامپیوتره کوانتومی را می خرند، در حالی که برخی دیگر از رایانه هایی استفاده می کنند که از طریق خدمات کامپیوتری ابری در دسترس هستند.

یک کامپیوتر کوانتومی احتمالاً در ابتدا کجا بیشتر از همه مفید است؟

یکی از امیدوارکننده ترین کاربردهای کامپیوتر کوانتومی برای شبیه سازی رفتار ماده تا سطح مولکولی است. سازندگان خودرو مانند فولکس واگن و دایملر از رایانه‌های کوانتومی برای شبیه‌سازی ترکیب شیمیایی باتری‌های خودروهای الکتریکی استفاده می‌کنند تا به یافتن راه‌های جدیدی برای بهبود عملکرد آنها کمک کنند. و شرکت های داروسازی از آنها برای تجزیه و تحلیل و مقایسه ترکیباتی استفاده می کنند که می تواند منجر به ایجاد داروهای جدید شود.

ماشین‌ها همچنین برای مسائل بهینه‌سازی عالی هستند، زیرا می‌توانند از طریق تعداد زیادی از راه‌حل‌های بالقوه بسیار سریع برخورد کنند. به عنوان مثال، ایرباس از آنها برای کمک به محاسبه کم مصرف ترین مسیرهای صعود و فرود هواپیما استفاده می کند.

فولکس واگن سرویسی را رونمایی کرده است که مسیرهای بهینه اتوبوس و تاکسی را در شهرها محاسبه می کند تا ازدحام به حداقل برسد. برخی از محققان همچنین فکر می کنند که این ماشین ها می توانند برای سرعت بخشیدن به هوش مصنوعی مورد استفاده قرار گیرند.

ممکن است چند سال تا دستیابی به پتانسیل کامل کامپیوتر کوانتومی طول بکشد. دانشگاه‌ها و کسب‌وکارهایی که روی آن‌ها کار می‌کنند، با کمبود محققان ماهر در این زمینه و کمبود تامین‌کنندگان برخی از اجزای کلیدی مواجه هستند. اما اگر این ماشین‌های محاسباتی جدید عجیب و غریب به وعده‌های خود عمل کنند، می‌توانند کل صنایع را متحول کنند و نوآوری جهانی توربوشارژ را افزایش دهند.

منبع : MIT technology review

این بدان معناست که آنها یک حالت کوانتومی مشترک و یکپارچه دارند. بنابراین مشاهدات یکی از ذرات می تواند به طور خودکار اطلاعاتی را در مورد ذرات درهم تنیده دیگر بدون توجه به فاصله بین آنها ارائه دهد. و هر گونه تأثیر بر یکی از این ذرات همواره بر سایرین در سیستم درهم تنیده تأثیر می گذارد. در ادامه مطلب علم کوانتوم چیست به بررسی این موضوع می‌پردازیم:

چه کسی درهم تنیدگی کوانتومی را کشف کرد؟

فیزیکدانان در دهه‌های ابتدایی قرن بیستم، ایده‌های بنیادی پشت درهم تنیدگی کوانتومی را در حین بررسی مکانیک جهان کوانتومی توسعه دادند. آنها دریافتند که برای توصیف درست سیستم های زیراتمی، باید از چیزی به نام حالت کوانتومی استفاده کنند.

در دنیای کوانتومی، هیچ چیز به طور قطعی شناخته نشده است. به عنوان مثال، شما هرگز نمی‌دانید که یک الکترون در یک اتم دقیقاً در کجا قرار دارد، فقط می تو‌انید حدس بزنید که کجاست (آهنگ عزیزم کجایی؟).

حالت کوانتومی احتمال اندازه‌گیری خاصیت خاصی از یک ذره، مانند موقعیت یا تکانه زاویه‌ای آن را خلاصه می‌کند. بنابراین، برای مثال، وضعیت کوانتومی یک الکترون، احتمال یافتن الکترون را در تمام موقعیت های مکانی ممکن را مشخص می کند.
یکی دیگر از ویژگی های حالت های کوانتومی این است که می توانند با سایر حالت های کوانتومی همبستگی داشته باشند، به این معنی که اندازه گیری های یک حالت می تواند بر حالت دیگر تأثیر بگذارد.

در مقاله ای در سال 1935، آلبرت انیشتین، بوریس پودولسکی و ناتان روزن بررسی کردند که چگونه حالت های کوانتومی همبسته قوی با یکدیگر برهم کنش می کنند. آنها دریافتند که وقتی دو ذره به شدت همبستگی دارند، حالات کوانتومی خود را از دست می دهند و در عوض یک حالت واحد و یکپارچه را به اشتراک می گذارند.

راه دیگری برای فکر کردن در مورد آن این است که یک “ظرف” ریاضی می تواند همه ذرات را بدون توجه به خصوصیات فردی آنها به طور همزمان توصیف کند. این حالت یکپارچه به نام درهم تنیدگی کوانتومی شناخته می شود.
طبق دایره المعارف فلسفه استنفورد، آنها دریافتند که اگر دو ذره در هم تنیده شوند، به این معنی که حالات کوانتومی آنها شدیداً همبسته شده و یکپارچه شود، اندازه گیری یکی از ذرات به طور خودکار بر دیگری تأثیر می گذارد، مهم نیست که ذرات چقدر از یکدیگر دور باشند.

اولین فیزیکدانی که از کلمه “درهم تنیدگی” استفاده کرد، اروین شرودینگر، یکی از بنیانگذاران مکانیک کوانتومی بود. او درهم تنیدگی کوانتومی را ضروری ترین جنبه مکانیک کوانتومی توصیف کرد و گفت که وجود آن یک انحراف کامل از خطوط فکری کلاسیک است.

تناقض EPR چیست؟

همانطور که انیشتین، پودولسکی و روزن کشف کردند، درهم تنیدگی آنی به نظر می رسد: هنگامی که از یک حالت کوانتومی آگاهی داشته باشید، به طور خودکار حالت کوانتومی هر ذره درهم تنیده دیگری را می دانید. در اصل، شما می‌توانید دو ذره درهم‌تنیده را در انتهای مخالف کهکشان قرار دهید و همچنان این دانش آنی را داشته باشید، که به نظر می‌رسد این مورد محدودیت سرعت نور را نقض می‌کند.

به گفته انجمن فیزیک آمریکا، این نتیجه به عنوان پارادوکس EPR (مخفف انیشتین، پودولسکی و روزن) شناخته می شود – اثری که انیشتین آن را “عمل شبح وار از راه دور” نامید. او از پارادوکس به عنوان مدرکی برای ناقص بودن نظریه کوانتومی استفاده کرد. اما آزمایش‌ها مکرراً تأیید کرده‌اند که ذرات درهم‌تنیده بدون توجه به فاصله بر یکدیگر تأثیر می‌گذارند و مکانیک کوانتومی تا به امروز تأیید شده است.

هیچ راه حل پذیرفته شده ای برای پارادوکس وجود ندارد. با این حال، اگرچه سیستم‌های درهم‌تنیده موقعیت خود را حفظ نمی‌کنند (به این معنی که یک بخش از یک سیستم درهم‌تنیده می‌تواند فوراً بر ذره‌ای دور تأثیر بگذارد)، آنها به علیت احترام می‌گذارند، به این معنی که اثرات همیشه علت‌هایی دارند. یک ناظر در ذره دور نمی داند که آیا ناظر محلی سیستم درهم تنیده را مختل کرده است یا خیر، و بالعکس. آنها برای تایید باید اطلاعاتی را با یکدیگر مبادله کنند که سریعتر از سرعت نور نباشد.

به عبارت دیگر، محدودیت های تحمیل شده توسط سرعت نور هنوز در سیستم های درهم تنیده باقی می ماند. در حالی که ممکن است وضعیت یک ذره دور را بدانید، نمی توانید این اطلاعات را سریعتر از سرعت نور انتقال دهید.

چگونه درهم تنیدگی کوانتومی را ایجاد می‌کنید؟

راه های زیادی برای درهم تنیدگی ذرات وجود دارد. یکی از روش ها سرد کردن ذرات و قرار دادن آنها به اندازه کافی نزدیک به هم است تا حالت های کوانتومی آنها (که نشان دهنده عدم قطعیت در موقعیت است) روی هم قرار گیرند و تشخیص یک ذره از ذره دیگر غیرممکن شود.

راه دیگر تکیه بر برخی فرآیندهای زیراتمی مانند فروپاشی هسته ای است که به طور خودکار ذرات درهم تنیده را تولید می کند. به گفته ناسا، همچنین می‌توان جفت فوتون‌های درهم تنیده یا ذرات نور را با تقسیم یک فوتون و تولید یک جفت فوتون در این فرآیند یا با اختلاط جفت فوتون در یک کابل فیبر نوری ایجاد کرد.

کاربردهای درهم تنیدگی کوانتومی چیست؟

• رمزنگاری

شاید پرکاربردترین کاربرد درهم تنیدگی کوانتومی در رمزنگاری باشد. به گفته مجله Caltech، در این سناریو، یک فرستنده و یک گیرنده یک پیوند ارتباطی امن ایجاد می کنند که شامل جفت ذرات درهم تنیده است. فرستنده و گیرنده از ذرات درهم‌تنیده برای تولید کلیدهای خصوصی استفاده می‌کنند که فقط آن‌ها می‌شناسند و می‌توانند از آن برای رمزگذاری پیام‌های خود استفاده کنند.

اگر کسی سیگنال را قطع کند و سعی کند کلیدهای خصوصی را بخواند، درهم تنیدگی شکسته می‌شود، زیرا اندازه گیری یک ذره در هم تنیده حالت آن را تغییر می دهد. این بدان معناست که فرستنده و گیرنده متوجه خواهند شد که ارتباطات آنها به خطر افتاده است.

• محاسبات کوانتومی

یکی دیگر از کاربردهای درهم تنیدگی، محاسبات کوانتومی است، که در آن تعداد زیادی ذرات در هم تنیده می‌شوند و در نتیجه به آن‌ها اجازه می‌دهد تا برای حل برخی از مسائل بزرگ و پیچیده کار کنند. به عنوان مثال، یک کامپیوتر کوانتومی با تنها 10 کیوبیت (بیت کوانتومی) می تواند همان مقدار حافظه 10^2 بیت معمولی را نشان دهد.

درهم تنیدگی کوانتومی از راه دور چیست؟

بر خلاف استفاده معمول از کلمه “از راه دور”، کوانتوم از راه دور شامل حرکت یا ترجمه خود ذرات نیست. به گزارش نیچر نیوز، در عوض، در کوانتوم از راه دور، اطلاعات مربوط به یک حالت کوانتومی به فواصل بسیار دور منتقل می‌شود و در جای دیگری تکرار می‌شود.

برای درک موضوع بهتر است به کوانتوم از راه دور، به عنوان نسخه کوانتومی ارتباطات سنتی فکر کنیم.

ابتدا، یک فرستنده ذره ای را آماده می کند تا حاوی اطلاعاتی باشد (یعنی حالت کوانتومی) که می‌خواهد منتقل کند. سپس، آنها این حالت کوانتومی را با یکی از یک جفت ذرات درهم تنیده ترکیب می کنند. این باعث تغییر متناظر در جفت درهم‌تنیده دیگر می‌شود که می‌تواند در فاصله دلخواه خود قرار بگیرد.

سپس گیرنده تغییر در شریک درگیر جفت را ثبت می کند. در نهایت، فرستنده باید از طریق کانال‌های معمولی (یعنی محدود به سرعت نور)، تغییر اصلی ایجاد شده را به جفت درهم‌تنیده منتقل کند. این به گیرنده اجازه می دهد تا حالت کوانتومی را در مکان جدید بازسازی کند.

این ممکن است به نظر کار زیادی برای انتقال یک مجموعه اطلاعات بد به نظر برسد، اما انتقال از راه دور کوانتومی ارتباط کاملاً ایمن را امکان پذیر می کند. اگر یک استراق سمع سیگنال را رهگیری کند، درهم تنیدگی را می شکند، که زمانی آشکار می شود که گیرنده سیگنال سنتی را با تغییرات ایجاد شده در جفت درهم تنیده شده مقایسه کند.

منبع : livescience