ابررسانایی معمولاً فقط در دماهای بسیار سرد قابل دستیابی است. ابررساناها کاربردهای روزمره بسیار متنوعی دارند، از ماشین های MRI گرفته تا قطارهای مغناطیسی فوق سریع که از آهنربا در جهت کاهش اصطکاک، قطارها را در مسیر معلق می کنند. اکنون محققان در تلاش هستند تا ابر رساناهایی را بیابند و توسعه دهند که در دماهای بالاتر کار می کنند، که انتقال و ذخیره انرژی را متحول می کند.

چه کسی ابررسانایی را کشف کرد؟

اعتبار کشف ابر رسانایی به فیزیکدان هلندی هایکه کامرلینگ اونس تعلق دارد. در سال 1911 او در حال مطالعه خواص الکتریکی جیوه در آزمایشگاه خود در دانشگاه لیدن در هلند بود که متوجه شد با کاهش دما به زیر 4.2 کلوین، یعنی فقط 4.2 درجه سانتیگراد (7.56 درجه فارنهایت) بالای صفر مطلق، مقاومت الکتریکی در جیوه کاملاً از بین می رود.
برای تأیید این نتیجه،اونس یک جریان الکتریکی را به نمونه‌ای از جیوه فوق‌خنک شده اعمال کرد و سپس باتری را قطع کرد. او دریافت که جریان الکتریکی بدون کاهش در جیوه باقی می‌ماند، که فقدان مقاومت الکتریکی را تأیید می‌کند و دری را برای کاربردهای آینده ابر رسانایی باز می‌کند.

تاریخچه ابررسانایی

فیزیکدانان چندین دهه تلاش کردند تا ماهیت ابررسانایی و علت آن را درک کنند. آنها دریافتند که بسیاری از عناصر و مواد، اما نه همه آنها، هنگامی که زیر دمای بحرانی خاصی سرد می شوند، ابررسانا می شوند.

در سال 1933، فیزیکدانان والتر مایسنر و رابرت اوکسنفلد کشف کردند که ابر رساناها هر میدان مغناطیسی نزدیک را بیرون می‌اندازند، به این معنی که میدان های مغناطیسی ضعیف نمی توانند در داخل ابر رسانا نفوذ کنند(با استناد به Hyper Physics، یک سایت آموزشی از گروه فیزیک و دانشگاه ایالتی جورجیا). این پدیده را اثر مایسنر می نامند.

بر اساس زندگینامه گینزبورگ در وب سایت جایزه نوبل، تا سال 1950 بود که فیزیکدانان نظری لو لاندو و ویتالی گینزبورگ نظریه ای درباره نحوه عملکرد ابررساناها منتشر کردند. در حالی که در پیش‌بینی ویژگی‌های ابر رساناها موفق بودند، نظریه آن‌ها «ماکروسکوپی» بود، به این معنی که بر رفتارهای مقیاس بزرگ ابر رساناها تمرکز داشت و در عین حال از آنچه در سطح میکروسکوپی در حال وقوع بود ناآگاه ماند.

سرانجام، در سال 1957، فیزیکدانان جان باردین، لئون ان. کوپر و رابرت شریفر یک نظریه میکروسکوپی کامل از ابر رسانایی را توسعه دادند. برای ایجاد مقاومت الکتریکی، الکترون‌های یک فلز باید آزاد باشند تا به اطراف بپرند. اما وقتی الکترون‌های درون یک فلز به‌طور باورنکردنی سرد می‌شوند، می‌توانند جفت شوند و از جهش آن‌ها به اطراف جلوگیری کنند.

این جفت‌های الکترون که جفت‌های کوپر نامیده می‌شوند، در دماهای پایین بسیار پایدار هستند و بدون الکترون‌های «آزاد» برای جهش به اطراف، مقاومت الکتریکی از بین می‌رود. باردین، کوپر و شریفر این قطعات را کنار هم قرار دادند تا نظریه خود را شکل دهند که به نظریه BCS معروف است و آن را در مجله Physical Review Letters منتشر کردند.

ابررساناها چگونه کار می کنند؟

هنگامی که یک فلز به زیر دمای بحرانی می‌رسد، الکترون‌های فلز پیوندهایی به نام جفت کوپر تشکیل می‌دهند. به گفته دانشگاه کمبریج، الکترون‌ها که به این شکل قفل شده‌اند، نمی‌توانند هیچ مقاومت الکتریکی ایجاد کنند و الکتریسیته می‌تواند به طور کامل از فلز عبور کند.

با این حال، این فقط در دمای پایین کار می کند. وقتی فلز خیلی گرم می‌شود، الکترون‌ها انرژی کافی برای شکستن پیوندهای جفت کوپر و بازگشت به مقاومت را دارند. به همین دلیل است که اونس در آزمایش های اولیه خود دریافت که جیوه در 4.19 K به عنوان یک ابررسانا رفتار می کند، اما نه 4.2 K.

کاربرد ابررساناها چیست؟

به احتمال زیاد بدون اینکه متوجه شوید با یک ابر رسانا مواجه شده اید. به منظور تولید میدان های مغناطیسی قوی مورد استفاده در تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI) و تصویربرداری تشدید مغناطیسی هسته ای (NMRI)، ماشین ها از آهنرباهای الکتریکی قوی استفاده می کنند.

این الکترومغناطیس های قدرتمند با اندکی گرمای ناشی از مقاومت ، فلزات معمولی را ذوب می کنند. با این حال، از آنجایی که ابررساناها مقاومت الکتریکی ندارند، گرما تولید نمی شود و آهنرباهای الکتریکی می توانند میدان های مغناطیسی لازم را ایجاد کنند.

الکترومغناطیس‌های ابر رسانای مشابه نیز در قطارهای مگلو، راکتورهای همجوشی هسته‌ای آزمایشی و آزمایشگاه‌های شتاب‌دهنده ذرات با انرژی بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند. ابررساناها همچنین برای تغذیه تفنگ‌های ریلی و کویل‌گوشی، ایستگاه‌های پایه تلفن همراه، مدارهای دیجیتال سریع و آشکارسازهای ذرات استفاده می‌شوند.

اساساً، هر زمان که به یک میدان مغناطیسی یا جریان الکتریکی واقعاً قوی نیاز داشتید و نمی‌خواهید تجهیزاتتان در لحظه‌ای که آن را روشن می‌کنید ذوب شود، به یک ابررسانا نیاز دارید.
الکسی بزریادین، متخصص فیزیک ماده چگال در دانشگاه ایلینویز، گفت: یکی از جالب‌ترین کاربردهای ابر رساناها برای کامپیوتر کوانتومی است. به دلیل خواص منحصر به فرد جریان های الکتریکی در ابر رساناها، می توان از آنها برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی استفاده کرد.

بزریادین می گوید: “اینگونه کامپیوترها از بیت های کوانتومی یا کیوبیت تشکیل شده اند. کیوبیت ها، بر خلاف بیت های کلاسیک اطلاعات، می توانند در حالت های برهم نهی کوانتومی “0” و “1” به طور همزمان وجود داشته باشند. دستگاه های ابر رسانا می توانند این را تقلید کنند.” . “به عنوان مثال، جریان در یک حلقه ابر رسانا می تواند همزمان در جهت عقربه های ساعت و خلاف جهت عقربه های ساعت جریان یابد. چنین حالتی نمونه ای از یک کیوبیت ابر رسانا را تشکیل می دهد.”

آخرین مورد در تحقیقات ابررسانا چیست؟

مهمت دوگان، محقق فوق دکترا در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، گفت: اولین چالش برای محققان امروزی «توسعه موادی است که در شرایط محیطی ابررسانا هستند، زیرا در حال حاضر ابر رسانایی فقط در دماهای بسیار پایین یا در فشارهای بسیار بالا وجود دارد.”  چالش بعدی ایجاد نظریه ای است که توضیح دهد چگونه ابررساناهای جدید کار می کنند و خواص آن مواد را پیش بینی می کند.

ابررساناها به دو دسته اصلی تقسیم می شوند: ابررساناهای دمای پایین (LTS) که به عنوان ابررساناهای معمولی نیز شناخته می شوند و ابررساناهای دمای بالا (HTS) یا ابررساناهای غیر متعارف. LTS را می توان با تئوری BCS توصیف کرد تا توضیح دهد که چگونه الکترون ها جفت های کوپر را تشکیل می دهند، در حالی که HTS از روش های میکروسکوپی دیگر برای دستیابی به مقاومت صفر استفاده می کند. منشأ HTS یکی از مشکلات عمده حل نشده فیزیک مدرن است.

بیشتر تحقیقات تاریخی در مورد ابررسانایی در جهت LTS بوده است، زیرا کشف و مطالعه آن ابررساناها بسیار ساده تر است و تقریباً تمام کاربردهای ابررسانایی شامل LTS می شود.

در مقابل، HTS یک حوزه فعال و هیجان انگیز از تحقیقات مدرن است. هر چیزی که به عنوان یک ابر رسانا بالای 70 K کار می کند، به طور کلی HTS در نظر گرفته می شود. با وجود اینکه هنوز خیلی سرد است، این دما مطلوب است، زیرا می توان با خنک کردن با نیتروژن مایع به آن رسید، که بسیار رایج تر و آسان تر از هلیوم مایع مورد نیاز برای خنک شدن تا دمای پایین تر مورد نیاز برای LTS است.

آینده ابررساناها

“جام مقدس” تحقیقات ابر رساناها یافتن ماده ای است که بتواند در دمای اتاق به عنوان ابر رسانا عمل کند. تا به امروز، بالاترین دمای ابررسانا با سولفور هیدرید کربنی بسیار تحت فشار بدست آمد که در دمای 59 درجه فارنهایت (15 درجه سانتیگراد یا حدود 288 کلوین) به ابررسانایی رسید، اما برای انجام آن به 267 گیگا پاسکال فشار نیاز داشت. این فشار معادل فضای داخلی سیارات غول پیکری مانند مشتری است که آن را برای کاربردهای روزمره غیر عملی می کند.

ابر رساناهای دمای اتاق امکان انتقال الکتریکی انرژی بدون تلفات یا اتلاف، قطارهای مگلو کارآمدتر و استفاده ارزان تر و فراگیرتر از فناوری MRI را فراهم می کنند. کاربردهای عملی ابررساناهای دمای اتاق بی حد و حصر است – فیزیکدانان فقط باید دریابند که ابررساناها در دمای اتاق چگونه کار می کنند و ماده “Goldilocks” که امکان ابررسانایی را فراهم می کند، چه چیزی می تواند باشد.

منبع : Livescience

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

مثالی از اصل عدم قطعیت

در زندگی روزمره، محاسبه سرعت و موقعیت یک جسم متحرک نسبتاً ساده است. ما می‌توانیم ماشینی را که با سرعت 60 مایل در ساعت حرکت می‌کند یا لاک‌پشتی که با سرعت 0.5 مایل در ساعت در حال خزیدن است را اندازه‌گیری کنیم و به طور همزمان محل قرارگیری اشیاء را مشخص کنیم. اما در دنیای کوانتومی ذرات، انجام این محاسبات به دلیل یک رابطه ریاضی اساسی به نام اصل عدم قطعیت امکان پذیر نیست.

به عبارت دیگر، اگر بتوانیم یک لاک پشت را به اندازه یک الکترون کوچک کنیم، فقط می‌توانیم سرعت یا مکان آن را دقیقاً محاسبه کنیم، نه هر دو را همزمان.

اصل عدم قطعیت در ریاضی و فیزیک

اگرچه اصل عدم قطعیت هایزنبرگ در علم کوانتوم معروف است، یک اصل عدم قطعیت مشابه برای مسائل ریاضی محض و فیزیک کلاسیک نیز اعمال می‌شود. اساساً هر جسمی با خواص موج مانند، تحت تأثیر این اصل قرار می‌گیرد. اجسام کوانتومی خاص هستند زیرا همه آنها به دلیل ماهیت نظریه کوانتومی خواص موج مانندی از خود نشان می دهند.

برای درک ایده کلی در پشت اصل عدم قطعیت، به یک موج در یک حوض فکر کنید. برای اندازه گیری سرعت آن، عبور چندین قله و فرورفتگی را زیر نظر می گرفتیم. هرچه قله‌ها و فرورفتگی‌های بیشتری بگذرند، سرعت موج را دقیق‌تر می‌دانیم، اما کمتر می‌توانیم درباره موقعیت آن بگوییم.

این مکان در میان قله ها و فرورفتگی ها گسترده شده است. برعکس، اگر بخواهیم موقعیت دقیق یک قله موج را بدانیم، باید فقط یک بخش کوچک از موج را زیر نظر داشته باشیم و اطلاعات مربوط به سرعت آن را از دست بدهیم. به طور خلاصه: اصل عدم قطعیت، مبادله بین دو ویژگی مکمل، مانند سرعت و موقعیت را توصیف می کند.

قانون اساسی در دنیای کوانتومی وارد عمل می شود زیرا ذرات زیر اتمی می توانند مانند امواج رفتار کنند. یک تصور غلط رایج در مورد اصل عدم قطعیت در فیزیک کوانتومی این است که نشان می دهد اندازه گیری های ما نامطمئن یا نادرست هستند. در واقع، عدم قطعیت جنبه ذاتی هر چیزی با رفتار موج مانند است.

منبع: scienceexchange

به طور مشابه، در علم کوانتوم، اجسامی مانند الکترون‌ها و فوتون‌ها دارای خواص موجی هستند که می‌توانند به صورت بر هم نهی ترکیب شوند و به چیزی تبدیل شوند که برهم‌نهفته می‌گویند.

ریاضیات و برهم نهی

در حالی که امواج روی سطح یک حوضچه با حرکت آب تشکیل می شوند، امواج کوانتومی ریاضی هستند. آنها به صورت معادلاتی بیان می شوند که احتمالات یک شی را که در یک حالت معین وجود دارد یا دارای خاصیت خاصی است، توصیف می کنند.

معادلات ممکن است اطلاعاتی در مورد احتمال حرکت الکترون با سرعتی خاص یا ساکن شدن در یک مکان خاص ارائه دهند. هنگامی که یک الکترون در برهم نهی قرار دارد، حالات مختلف آن را می توان به عنوان نتایج جداگانه در نظر گرفت که هر کدام با احتمال خاصی برای مشاهده هستند.

می توان گفت که یک الکترون در برهم نهی دو سرعت مختلف یا در دو مکان در یک زمان قرار دارد. درک برهم نهی ممکن است به پیشرفت فناوری‌های کوانتومی مانند کامپیوترهای کوانتومی کمک کند.

در اصطلاح ریاضی، برهم نهی را می توان معادله ای در نظر گرفت که بیش از یک جواب دارد. وقتی x² = 4 را حل می کنیم، x می تواند 2 یا -2 باشد. هر دو پاسخ صحیح است. حل توابع موج بر هم پیچیده تر خواهد بود، اما می توان با همان طرز فکر به آنها نزدیک شد.

گربه شرودینگر

تصور برهم نهی کوانتومی ممکن است دشوار باشد. در توصیف های سنتی از تشبیه سکه‌ای استفاده شده است که همزمان دو روی سکه رو به بالا است، یا آزمایش فکری معروف گربه شرودینگر، که در آن فیزیکدان اروین شرودینگر تصور می کند که گربه ای را در جعبه ای مهر و موم شده به همراه ماده ای سمی قرار می دهد که در عرض یک ساعت احتمال کشتن گربه با احتمال زنده ماندن گربه مساوی است.

شرودینگر پیشنهاد کرد که در پایان ساعت، می‌توان گفت که گربه هم زنده است و هم مرده، در برهم‌نهی حالت‌ها تا زمانی که جعبه باز شود، و اینکه عمل مشاهده به طور تصادفی مشخص می‌کند که گربه زنده است یا مرده. شرودینگر قصد داشت با این مثال پوچی علم کوانتوم را نشان دهد.

چگونه دانشمندان می توانند برهم نهی را مشاهده کنند؟

آزمایش های زیادی انجام شده است که به طور قطعی وجود برهم نهی را اثبات می کند. یک مثال از فیلترهای نور کمک می گیرد: صفحه نمایش هایی که به طور انتخابی نور را مسدود می کنند، مانند آنهایی که در عینک های آفتابی پلاریزه یا لنزهای دوربین یافت می شوند.

بیشتر نوری که در اطراف خود می بینیم ترکیبی از امواج مختلف است که از خورشید و منابع دیگر می آیند. قله ها و دره های این امواج به یکباره در جهات مختلف می چرخند. به عبارت دیگر، نور در برهم نهی از این حالت های قطبی شده مختلف است.

همانطور که امواج نور با محیط اطراف خود تعامل دارند، ویژگی های آنها تغییر می کند. نوری که از سطح دریاچه یا زمین پوشیده از برف منعکس می‌شود، به احتمال زیاد به صورت افقی قطبی می‌شود.

اگر این نور پس از آن با فیلتری مواجه شود که فقط به نور قطبی عمودی اجازه عبور می دهد، انعکاس مسدود می شود. اینگونه است که عینک های آفتابی پلاریزه در یک روز روشن، تابش خیره کننده سطوح بازتابنده را فیلتر می کنند.

برهم نهی زمانی آشکار می شود که بیش از یک فیلتر را به روش های مختلف ترتیب دهیم تا خواص اضافی نور را از بین ببریم. نوری که از یک فیلتر افقی عبور می کند، 100 درصد شانس عبور از فیلتر افقی دوم را دارد، یعنی همه آن از آن عبور می کند.

اگر این فیلتر دوم به تدریج به سمت یک جهت عمودی بچرخد، شانس عبور نور از هر دو فیلتر به طور پیوسته کاهش می یابد. هنگامی که فیلتر به مورب (45 درجه) می رسد، نیمی از نور از آن عبور می کند و زمانی که فیلتر عمودی باشد نوری از آن عبور نمی کند.

اگر برهم نهی وجود نداشت، به محض اینکه فیلتر دوم حتی کسری از درجه می چرخید، نور کاملاً مسدود می شد زیرا تمام نوری که از فیلتر اول عبور می کرد کاملاً به صورت افقی قطبی می شد.
با کمال تعجب، افزودن یک فیلتر مورب بین فیلترهای افقی و عمودی اجازه می دهد تا مقداری نور از طریق سیستم عبور کند. این نیز نتیجه برهم نهی است.

فیلتر جدید اجازه می دهد تا 50 درصد از نوری که از فیلتر افقی عبور می کند. سپس، چون فیلتر جدید نسبت به فیلتر عمودی نیز مورب است، فیلتر عمودی اجازه عبور 50 درصد نور را می دهد.
فیلتر مورب برای “بازنشانی” برهم نهی نور با افزایش احتمال قطبش عمودی آن عمل می کند.

منبع : caltech

همه ما با ذرات آشنا هستیم، خواه آنها مرمر، دانه های شن، نمک در نمکدان، اتم ها، الکترون ها و غیره باشند. خواص ذرات را می توان با سنگ مرمر نشان داد. سنگ مرمر یک توده کروی از شیشه است که در نقطه ای از فضا قرار دارد. اگر سنگ مرمر را با انگشت خود تکان دهیم، به آن انرژی می دهیم – این انرژی جنبشی است و سنگ مرمر متحرک این انرژی را با خود می برد.

تعداد انگشت شماری از تیله های پرتاب شده در هوا فرو می ریزند و هر سنگ مرمر در جایی که به زمین برخورد می کند انرژی ایجاد می کند. در مقابل، امواج پخش می شوند. نمونه‌هایی از امواج عبارتند از: غلتک‌های بزرگ در اقیانوس باز، امواج در برکه، امواج صوتی و امواج نور. اگر در یک لحظه موج موضعی شود، مدتی بعد در یک منطقه بزرگ پخش می شود، مانند امواجی که وقتی یک سنگریزه را در حوضچه می ریزیم. موج با خود انرژی مربوط به حرکت خود را حمل می کند. برخلاف ذره، انرژی در فضا توزیع می شود زیرا موج پخش می شود.

چرا امواج با ذرات تفاوت بسیاری دارند؟

ذرات در برخورد با یکدیگر جهش می کنند اما امواج در برخورد با یکدیگر عبور می کنند و بدون تغییر ظاهر می شوند. اما امواج

همپوشانی می توانند تداخل داشته باشند – در جایی که یک فرورفتگی با یک تاج همپوشانی دارد، موج می تواند به طور کلی ناپدید شود. الگوی تداخل یک موج در دو سوراخ در یک صفحه نمایش. سوراخ ها در نزدیکی پایین تصویر دیده می شوند.

 این را می توان زمانی مشاهده کرد که بخش هایی از یک موج از سوراخ های نزدیک در یک صفحه عبور می کند. امواج در همه جهات پخش می‌شوند و تداخل می‌کنند و به مناطقی در فضا می‌روند که موج ناپدید می‌شود و مناطقی که قوی‌تر می‌شود. تصویر سمت چپ نمونه ای از آزمایش شکاف دوگانه را نشان می دهد که توسط دانشمند انگلیسی توماس یانگ اختراع شده است. این پدیده پراش نامیده می شود.

در مقابل ، سنگ مرمری که روی صفحه پرتاب می‌شود یا به بیرون پرتاب می‌شود یا مستقیماً از یکی از سوراخ‌ها عبور می‌کند. در طرف دیگر صفحه، سنگ مرمر بسته به سوراخی که از آن عبور کرده است، در یکی از دو جهت در حال حرکت است. این ها مثال هایی از دوگانگی موج-ذره است.

دوگانگی موج-ذره : خداحافظی موج با امواج

پدیده پراش یکی از ویژگی های شناخته شده امواج نور است. اما در آغاز قرن بیستم، مشکلی با نظریه‌های امواج نوری که از اجسام داغ منتشر می‌شوند، مانند زغال‌های داغ در آتش یا نور خورشید پیدا شد.

این نور را تابش جسم سیاه می نامند. این تئوری ها همیشه انرژی بی نهایت را برای نور ساطع شده فراتر از انتهای طیف آبی – فاجعه فرابنفش – پیش بینی می کنند. پاسخ این بود که فرض کنیم انرژی امواج نور پیوسته نیست، بلکه در مقادیر ثابتی می آید، گویی از تعداد زیادی ذرات تشکیل شده است، مانند تعداد انگشت شماری از سنگ مرمرهای ما. بنابراین این تصور به وجود آمد که امواج نور مانند ذرات عمل می کنند که این ذرات فوتون نامیده می شوند.

اگر نوری که فکر می‌کردیم موج‌مانند است نیز مانند یک ذره رفتار می‌کند، آیا ممکن است اجسامی مانند الکترون‌ها و اتم‌ها که ذره‌مانند هستند، مانند امواج رفتار کنند؟ برای توضیح دوگانگی موج-ذره در ساختار و رفتار اتم ها، فرض بر این بود که ذرات دارای خواص موج مانند هستند. اگر این درست باشد، یک ذره باید از طریق یک جفت سوراخ با فاصله نزدیک، درست مانند یک موج، پراش شود.

دوگانگی موج-ذره : پراش الکترون و اتم

آزمایش‌ها ثابت کردند که ذرات اتمی درست مانند امواج عمل می‌کنند. وقتی الکترون‌ها را به یک طرف صفحه با دو سوراخ نزدیک به هم شلیک می‌کنیم و توزیع الکترون‌ها را در طرف دیگر اندازه‌گیری می‌کنیم، دو قله را نمی‌بینیم، یکی برای هر سوراخ، بلکه یک الگوی پراش کامل را می‌بینیم، درست مثل اینکه از امواج استفاده کرده است.

این نمونه دیگری از آزمایش شکاف یانگ است که در بالا نشان دادیم، اما این بار با استفاده از امواج الکترونی. این مفاهیم اساس تئوری کوانتومی را تشکیل می‌دهند، شاید موفق‌ترین نظریه‌ای که دانشمندان تاکنون ایجاد کرده‌اند.

نکته عجیب در مورد آزمایش پراش این است که موج الکترونی انرژی را در کل سطح آشکارساز ذخیره نمی کند، همانطور که ممکن است با برخورد موجی در ساحل انتظار داشته باشید.

انرژی الکترون در نقطه ای رسوب می کند، درست مثل اینکه یک ذره باشد. بنابراین در حالی که الکترون در فضا مانند یک موج منتشر می شود، در نقطه ای مانند یک ذره برهمکنش می کند. این به عنوان دوگانگی موج – ذره شناخته می شود.

دوگانگی موج-ذره : در امواج مرموز، حرکت می کند

اگر الکترون یا فوتون به صورت موج منتشر شود اما انرژی خود را در یک نقطه رسوب کند،برای بقیه موج چه اتفاقی می افتد؟

ناپدید می شود، از سراسر فضا، دیگر هرگز دیده نمی شود! به نحوی، آن بخش‌هایی از موج که از نقطه تعامل فاصله دارند، می‌دانند که انرژی از بین رفته و بلافاصله ناپدید می‌شوند.

اگر این اتفاق با امواج اقیانوس می افتاد، یکی از موج سواران روی موج تمام انرژی را دریافت می کرد و در آن لحظه موج اقیانوس در تمام طول ساحل ناپدید می شد. یکی از موج سواران در امتداد سطح آب به شدت موج سواری می کند و بقیه آرام روی سطح آب می نشینند.

این همان چیزی است که با فوتون ها، الکترون ها و حتی امواج اتمی اتفاق می افتد. به طور طبیعی، این معما بسیاری از دانشمندان، از جمله انیشتین را ناراحت کرد. معمولاً زیر فرش جارو می‌شود و در اندازه‌گیری به آن «فروپاشی تابع موج» می‌گویند.

دوگانگی موج-ذره : اصل عدم قطعیت

با انتشار موج، ذره کجاست؟ خوب، ما به طور قطع نمی دانیم. جایی در ناحیه فضا با ابعادی شبیه به توزیع طول موج هایی که موج آن را مشخص می کند قرار دارد. این به عنوان اصل عدم قطعیت هایزنبرگ شناخته می شود که خود گویای دوگانگی موج-ذره است.

برای ذرات معمولی روزمره، مانند سنگ مرمر، نمک و ماسه، طول موج آنها به قدری کوچک است که می توان مکان آنها را به دقت اندازه گیری کرد. برای اتم ها و الکترون ها، این کمتر واضح می شود.

در آزمایش پراش، طول موج الکترون بزرگ است، بنابراین مکان الکترون بسیار نامشخص است. در واقع الکترون مانند یک موج، از طریق هر دو شکاف به طور همزمان حرکت می کند. از نظر ذرات، تصور واقعی این امر برای ما غیرممکن می شود زیرا با تجربه روزمره در تضاد است.

انیشتین نگران این بود که ذره در کجا واقع شده است و به این نتیجه رسید که اطلاعات در نظریه کوانتومی وجود ندارد. انیشتین و همکارانش ناتان روزن و بوریس پودولسکی در مقاله‌ای مشهور در مورد متغیرهای پنهان، دو گزینه را استخراج کردند: یا نظریه کوانتومی اشتباه بود یا مشکل در تصور ما از واقعیت بود.

مجموعه ای از آزمایش های دقیق و هوشمندانه ثابت کرد که نظریه کوانتومی درست است و تصور ما از واقعیت اشتباه است .

دوگانگی موج-ذره : رفتار شبح‌آمیز

اما این پایان ماجرای دوگانگی موج-ذره نیست. آزمایش‌هایی که تصورات ما از واقعیت را رد کرد، شامل دو ذره بود که به‌عنوان یک موج به هم متصل شدند. اندازه‌گیری روی یک ذره بر خواص فیزیکی ذره دیگر تأثیر می‌گذارد، حتی اگر آنها از هم دور باشند. این به عنوان “عمل شبح وار در فاصله” شناخته می شود و نتیجه درهم تنیدگی کوانتومی است.

این یک مفهوم بسیار ظریف است اما اساس کامپیوترهای کوانتومی و رمزنگاری کوانتومی را تشکیل می دهد!

پس واقعیت چه مشکلی دارد؟

در این مرحله، کل مشکل به سختی می‌تواند ذهن شما را درگیر کند. اما زیاد نگران این موضوع نباشید. همانطور که ریچارد فاینمن، برنده جایزه نوبل و مرد واقعاً درخشان گفت: “من فکر می کنم با خیال راحت می توانم بگویم که هیچ کس مکانیک کوانتومی را نمی فهمد.”

اکثر افرادی که در این زمینه کار می کنند فقط به این مفهوم عادت می کنند و به زندگی خود ادامه می دهند یا فیلسوف می شوند. و اما واقعیت؟ فکر می‌کنم پروفسور فاینمن نیز در این مورد آخرین حرف را می‌زند: «…تناقض فقط تضاد بین واقعیت و احساس شما از آنچه واقعیت باید باشد است.»

منبع : the conversation

در حالی که بسیاری از آزمایش‌های کوانتومی اجسام بسیار کوچک را بررسی می‌کنند، مانند الکترون‌ها و فوتون‌ها، پدیده‌های کوانتومی در اطراف ما هستند و در هر مقیاسی عمل می‌کنند. با این حال، ممکن است نتوانیم آنها را به راحتی در اجسام بزرگتر تشخیص دهیم. این ممکن است تصور اشتباهی را ایجاد کند که پدیده های کوانتومی عجیب و غریب یا ماورایی هستند. در واقع، علم کوانتوم شکاف‌های دانش ما را از فیزیک را می‌بندد تا تصویر کامل‌تری از زندگی روزمره‌مان به ما بدهد.

اکتشافات کوانتومی در درک اساسی ما از مواد، شیمی، زیست شناسی و نجوم گنجانده شده است. این اکتشافات منبع ارزشمندی برای نوآوری هستند که باعث پیدایش دستگاه‌هایی مانند لیزر و ترانزیستور می‌شوند و پیشرفت واقعی را در فناوری‌هایی که زمانی صرفاً یک تخیل و رویا تلقی می‌شدند همچون رایانه‌های کوانتومی، امکان‌پذیر می‌سازند. فیزیکدانان در حال بررسی پتانسیل علم کوانتوم برای تغییر دیدگاه ما از گرانش و ارتباط آن با فضا و زمان هستند. علم کوانتومی حتی ممکن است نشان دهد که چگونه همه چیز در جهان (یا در جهان های متعدد) از طریق ابعاد بالاتری که حواس ما قادر به درک آن نیستند به هر چیز دیگری مرتبط است.

ریشه های علم کوانتوم چیست؟

حوزه فیزیک کوانتومی در اواخر دهه 1800 و اوایل دهه 1900 از یک سری مشاهدات تجربی از اتم ها که در زمینه فیزیک کلاسیک معنی شهودی نداشتند، بوجود آمد. در میان اکتشافات اساسی این درک بود که ماده و انرژی را می توان به عنوان بسته های مجزا یا کوانتوم هایی در نظر گرفت که دارای حداقل مقدار مرتبط با آنها هستند. برای مثال، نور با فرکانس ثابت انرژی را به صورت کوانتایی به نام “فوتون” ارائه می کند. هر فوتون در این فرکانس دارای همان مقدار انرژی خواهد بود و این انرژی را نمی توان به واحدهای کوچکتر تجزیه کرد. در واقع کلمه “کوانتوم” ریشه لاتین دارد و به معنای “چقدر” است.

دانش اصول کوانتومی تصور ما را از اتم، که از یک هسته احاطه شده توسط الکترون ها تشکیل شده است، تغییر داد. مدل‌های اولیه، الکترون‌ها را به‌عنوان ذراتی نشان می‌دادند که به دور هسته می‌چرخند، دقیقاً مانند روشی که ماهواره‌ها به دور زمین می‌چرخند. در عوض، فیزیک کوانتومی مدرن، الکترون‌ها را به‌عنوان توزیع شده در اوربیتال‌ها درک می‌کند، توصیف‌های ریاضی که احتمال وجود الکترون‌ها را در بیش از یک مکان در یک محدوده معین در هر زمان معین نشان می‌دهد. الکترون‌ها می‌توانند با افزایش یا از دست دادن انرژی از یک مدار به مدار دیگر بپرند، اما نمی‌توان آنها را بین اوربیتال‌ها یافت.

سایر مفاهیم اصلی علم کوانتوم چیست؟

• دوگانگی موج-ذره

  • این اصل به اولین روزهای علم کوانتوم برمی گردد. نتایج آزمایش‌هایی را توصیف می‌کند که نشان می‌دهد نور و ماده، بسته به نحوه اندازه‌گیری، دارای خواص ذرات یا امواج هستند. امروزه می‌دانیم که این اشکال مختلف انرژی در واقع نه ذره هستند و نه موج. آنها اجسام کوانتومی متمایز هستند که ما نمی توانیم به راحتی آنها را مفهوم سازی کنیم.

• برهم نهی

  • این اصطلاحی است که برای توصیف یک شیء به عنوان ترکیبی از چندین حالت ممکن به طور همزمان استفاده می شود. یک جسم روی هم مشابه موجی است که روی سطح حوضچه ای ترکیبی از دو موج روی هم قرار گرفته است. در یک مفهوم ریاضی، یک جسم در برهم نهی را می توان با معادله ای نشان داد که بیش از یک جواب یا نتیجه دارد.

• اصل عدم قطعیت

  • این یک مفهوم ریاضی است که مبادله ای بین دیدگاه های مکمل را نشان می دهد. در فیزیک، این بدان معناست که دو ویژگی یک جسم، مانند موقعیت و سرعت آن، را نمی توان همزمان به طور دقیق شناخت. برای مثال، اگر موقعیت یک الکترون را دقیقاً اندازه گیری کنیم، در اندازه گیری سرعت آن دقیق نخواهیم بود.

• درهم تنیدگی

  • این پدیده ای است که زمانی رخ می دهد که دو یا چند جسم به گونه ای به هم متصل می شوند که می توان آنها را به عنوان یک سیستم واحد تصور کرد، حتی اگر از هم دور باشند. وضعیت یک شیء در آن سیستم را نمی توان به طور کامل بدون اطلاعات در مورد وضعیت شیء دیگر توصیف کرد. به همین ترتیب، یادگیری اطلاعات در مورد یک شیء به طور خودکار چیزی در مورد دیگری به شما می گوید و بالعکس.

ریاضیات و ماهیت احتمالی اجسام کوانتومی

از آنجایی که تجسم بسیاری از مفاهیم فیزیک کوانتومی برای ما دشوار است، اگر نگوییم غیرممکن است، ریاضیات برای این رشته ضروری است. معادلات برای توصیف یا کمک به پیش‌بینی اشیاء و پدیده‌های کوانتومی به روش‌هایی که دقیق‌تر از آنچه ما می توانیک تصور کنیم، استفاده می‌شود.

همچنین ریاضیات برای نمایش ماهیت احتمالی پدیده های کوانتومی ضروری است. برای مثال، موقعیت یک الکترون ممکن است دقیقاً مشخص نباشد. در عوض، ممکن است بتوان آن را به واسطه قرار گرفتن در محدوده‌ای از مکان‌های ممکن (مانند داخل یک اوربیتال) توصیف کرد که هر مکان با احتمال یافتن الکترون در آنجا مرتبط است.

با توجه به ماهیت احتمالی آنها، اجسام کوانتومی اغلب با استفاده از “توابع موج” ریاضی توصیف می شوند، که راه حل هایی برای معادله شرودینگر هستند. امواج در آب را می توان با تغییر ارتفاع آب در حین عبور موج از نقطه تنظیم مشخص کرد. به طور مشابه، امواج صوتی را می توان با تغییر فشردگی یا انبساط مولکول های هوا در حین عبور از یک نقطه مشخص کرد.

توابع موج به این شکل با خاصیت فیزیکی ردیابی نمی شوند. راه‌حل‌های توابع موج این احتمال را فراهم می‌کنند که در آن ناظر ممکن است یک شیء خاص را در طیف وسیعی از گزینه‌های بالقوه پیدا کند. با این حال، همانطور که یک موج در یک حوض یا یک نت نواخته شده بر روی یک شیپور پخش می شود و محدود به یک مکان نیست، اجسام کوانتومی نیز می توانند در چندین مکان باشند – و حالت های مختلف، مانند مورد برهم نهی – را در یک زمان به خود بگیرند.

رصد اجسام کوانتومی

عمل مشاهده موضوع قابل توجهی در فیزیک کوانتومی است. اوایل که دانشمندان متوجه شدند مشاهده ساده یک آزمایش بر نتیجه آن تأثیر می گذارد، گیج شده بودند. به عنوان مثال، یک الکترون زمانی که مشاهده نمی شود مانند یک موج عمل می کند، اما عمل مشاهده آن باعث می شود که موج فرو بریزد (یا به طور دقیق تر، “دکوهره”) و الکترون به جای آن مانند یک ذره رفتار کند. دانشمندان اکنون درک می کنند که اصطلاح “مشاهده” در این زمینه گمراه کننده است و نشان می دهد که هوشیاری درگیر است.

در عوض، «اندازه‌گیری» این اثر را بهتر توصیف می‌کند، که در آن تغییر در نتیجه ممکن است ناشی از تعامل بین پدیده کوانتومی و محیط خارجی، از جمله دستگاه مورد استفاده برای اندازه‌گیری پدیده باشد. با این حال، حتی این ارتباط دارای اخطارهایی است و درک کامل رابطه بین اندازه گیری و نتیجه هنوز مورد نیاز است.

آزمایش دو شکاف

شاید قطعی ترین آزمایش در زمینه فیزیک کوانتومی آزمایش دو شکاف باشد. در ابتدا در سال 1801، این آزمایش که شامل پرتاب ذراتی مانند فوتون یا الکترون از طریق یک مانع با دو شکاف است، برای نشان دادن اینکه نور از امواج تشکیل شده است استفاده شد. از آن زمان، تجسم های متعددی از این آزمایش برای نشان دادن اینکه ماده نیز می تواند مانند یک موج رفتار کند و برای نشان دادن اصول برهم نهی، درهم تنیدگی و اثر مشاهده گر استفاده شده است.

حوزه علوم کوانتومی ممکن است مرموز یا غیرمنطقی به نظر برسد، اما همه چیز اطراف ما را توصیف می کند، خواه متوجه شویم یا نه. استفاده از قدرت فیزیک کوانتومی باعث پیدایش فناوری‌های جدیدی می‌شود، هم برای برنامه‌هایی که امروزه استفاده می‌کنیم و هم برای برنامه‌هایی که ممکن است در آینده در دسترس باشند.

آیا شما در زمینه علم کوانتوم تخصصی دارید؟ می توانید به عنوان مدرس به شهر دانش بپیوندید.