نوبل فیزیک 2012 برای مخترعان ساعت‌های نوری و کامپیوترهای کوانتومی

محبوبه عمیدی: سرژ هاروش و دیوید واینلند که هر یک به شکل مستقل شیوه‌ای را برای اندازه‌گیری و دستکاری سیستم‌های کوانتومی منفرد بدون تغییر در طبیعت کوانتومی آنها ابداع کرده‌اند، مشترکا جایزه نوبل فیزیک امسال را به خود اختصاص دادند. این دو فیزیکدان آزمون‌هایی را به مرحله تجربه درآورند که پیش از این غیرممکن تصور می‌شد.

سرژ هاروش در سال 1944/1323 در کازابلانکای مراکش متولد شد و هم‌اکنون استاد فیزیک کالج فرانسه در پاریس است. تصویر زیر، سرژ هاروش را در آزمایشگاهش نشان می‌دهد.

دیوید واینلند نیز متولد 1944/1323 در میلواکی آمریکاست و رهبری دانشمندان کوانتوم اپتیک را در انستیتو استانداردها و فناوری ملی ایالات متحده بر عهده دارد. تصویر زیر، واینلند را در آزمایشگاهش نشان می‌دهد.

هاروش و واینلند با اثبات این که مشاهده مستقیم سیستم‌های کوانتومی منفرد بدون از هم پاشیدن آنها امکان‌پذیر است، دریچه تازه‌ای را به دنیای مکانیک کوانتومی باز کردند. شیوه تجربی خلاقانه این دو محقق در کنترل و ارزیابی حالات کوانتومی بسیار شکننده باعث شده برداشتن اولین قدم‌ها در راه تولید ابررایانه‌های مبتنی بر فیزیک کوانتومی ممکن شود و بشر به تولید ساعت‌هایی بسیاردقیق فکر کند که بارها از ساعت‌های سزیومی کنونی حساس‌تر عمل خواهند کرد.

ذرات منفرد نور یا ماده از قوانین فیزیک کلاسیکی که می‌شناسیم، تبعیت نمی‌کنند، آنها تابع قوانین فیزیک کوانتوم هستند، جدا کردن آنها از محیط پیرامون کار ساده‌ای نیست و بلافاصله پس از اینکه با جهان خارج برخورد می‌کنند، دیگر خواص کوانتومی شگفت‌انگیز خود را نشان نمی‌دهند. در نتیجه مشاهده مستقیم آنها چندان ساده نیست و تنها از طریق آزمون‌های تجربی می‌توان به خواص عجیب کوانتومی آنها پی برد.

هاروش و واینلند هر دو بر روی تعامل میان ذرات نور و ماده کار کرده‌اند، بخشی از فیزیک که اپتیک کوانتومی نامیده شده و از سال‌های میانی دهه 1980/1360 تاکنون شاهد پیشرفت‌های چشمگیری در آن بوده‌ایم. شیوه این دو محقق مشترکات بسیاری دارد؛ اما در نهایت متفاوت عمل شده است: واینلند کنترل و اندازه‌گیری اتم‌های باردار یا یون‌های به تله افتاده را با ذرات نور یا فوتون‌ها تجربه کرده و هاروش در آزمونی متفاوت با ارسال اتم‌ها به درون تله‌ای که فوتون‌ها را به دام‌ انداخته، کنترل و اندازه‌گیری ذرات نور را تجربه کرده است.

کنترل یون‌های منفرد در تله

در آزمایشگاه دیوید واینلند در بولدر، کلرادو، یون‌های منفرد در تله‌ای حفظ شده‌اند که توسط یک میدان الکتریکی از محیط پیرامون خود جدا شده است. آزمون‌ها در خلاء و در دمای بسیار پایین انجام می‌شود تا این ذرات از اثر گرما و پرتوها در امان بمانند. یکی از جالب‌توجه‌ترین بخش‌ها در این آزمایشگاه، هنر به کارگیری پرتوهای لیزر است که می‌توانند سطح انرژی ذرات را در پایین‌ترین سطح ممکن نگه دارند. از سوی دیگر استفاده از پالس‌های لیزری که با دقت محاسبه شده‌اند، می‌تواند ذره را در حالت برهم‌نهی (superposition) قرار دهد. در این حالت یک اتم می‌تواند همزمان دو موقعیت متفاوت را در دو سطح انرژی پیاپی اشغال کند و توسط پالس‌های لیزر در نیمه راه میان سطح انرژی پایین و بالاتر نگه داشته خواهد شد.

کنترل فوتون‌های منفرد در تله

هاروش و همکارانش شیوه متفاوتی را برای رمزگشایی از معماهای کوانتومی به کار گرفته‌اند. در آزمایشگاه آنها در پاریس، فوتون‌های ریزموج (مایکروویو) درون حفره کوچکی که در فضای میان دو آینه با فاصله نزدیک به 3 سانتی‌متر از یکدیگر قرار گرفته، دائما در رفت‌وآمدند. این آینه‌ها که از مواد ابررسانا ساخته شده و تا دمایی نزدیک به صفر مطلق سرد شده‌اند، صیقلی‌ترین آینه‌های جهان هستند و می‌توانند هر فوتون را پیش از جذب شدن تا 0.1 ثانیه در فضای داخل حفره انعکاس دهند. در این فاصله زمانی کوتاه که برای فوتون‌ها بسیار طولانی است، هر فوتون فاصله‌ای 40هزار کیلومتری را که تقریبا معادل یک دور گردش به دور زمین است، طی خواهد کرد.  

این زمان حیات طولانی به محققان اجازه دستکاری در فوتون‌های به تله افتاده را می‌دهد. هاروش برای این منظور از اتم‌های غول‌پیکری استفاده می‌کند که اتم‌های ریدبرگ نامیده شده و 1000 برابر بزرگتر از اتم‌های دیگر هستند. این اتم‌های 125 نانومتری دونات‌شکل تک ‌به ‌تک و با سرعتی کنترل شده به حفره وارد خواهند شد تا امکان تعامل با فوتون‌ها را در شرایطی کنترل شده داشته باشند.  

اتم‌های ریدبرگ طول حفره را طی کرده و از آن خارج می‌شوند؛ اما در حین عبور از آن و تعامل با فوتون‌ها حالت کوانتومی متفاوتی پیدا خواهند کرد. اگر حالت کوانتومی یک اتم را چیزی شبیه به یک موج سینوسی فرض کنیم، این برخورد می‌تواند جای قله و دره آن را با یکدیگر عوض کند و مطمئنا اگر فوتونی درون حفره وجود نداشته باشد، تغییر فازی در کار نخواهد بود.

هاروش و گروه تحقیقاتی او به شیوه‌ای مشابه می‌توانند تعداد فوتون‌های موجود در این حفره را تخمین بزنند، درست مانند کودکی که تیله‌های درون یک ظرف را یک به یک می‌شمارد. البته آنها به دقت و مهارت بسیاربالایی نیاز دارند چون تیله‌های کوانتومی آنها در کسری از ثانیه از بین می‌روند.

پارادوکس گربه شرودینگر ‌

مکانیک کوانتومی، دنیای میکروسکوپی را تشریح می‌کند که اتفاقات آن با دنیای پیرامون ما بسیارمتفاوت است. در این جهان که با چشمان خود قادر به تماشای آن نیستیم، عدم‌قطعیت حرف اول را می‌زند. به عنوان مثال ذره‌ای را در نظر بگیرید که در آنِ واحد می‌تواند چند موقعیت متفاوت را اشغال کند. در دنیای واقعی هرگز تیله‌ها نمی‌توانند هم‌زمان اینجا و آنجا باشند؛ مگر اینکه آنها را کوانتومی تصور کنیم.

اروین شرودینگر، یکی از برندگان جایزه نوبل فیزیک، سال‌ها پیش با طرح مثال گربه‌ای که درون جعبه‌ای محصور شده و با دنیای پیرامون خود فاصله گرفته است، تلاش کرد تفاوت میان دنیای ماکروسکوپی و جهان میکروسکوپی را شرح دهد. او می‌گوید درون این جعبه گربه‌ای وجود دارد که می‌تواند توسط یک ماده سمی و تنها در صورت تجزیه ماده‌ای رادیواکتیو که قوانین کوانتوم بر آن حاکم است، از بین برود. اگر اصل برهم‌نهی را در نظر بگیریم، این ماده می‌تواند تجزیه شده باشد و تجزیه نشده باشد، پس گربه هم زنده است، هم مرده! این مورد را نیز در نظر بگیرید که نمی‌توانیم با باز کردن جعبه شرایط را به هم بزنیم.

البته به نظر می‌رسد هاروش و واینلند هر دو موفق شده‌اند شرایط مشابهی را ایجاد کنند و پس از آنکه در جعبه را باز کردند، به جواب برسند. آنها با آزمون‌های خلاقانه‌ای که طرح کرده‌اند، نشان داده‌اند چطور می‌شود خصوصیت برهم‌نهی را از دنیای کوانتومی گرفت و به وضوح نشان داد که گربه زنده است یا مرده!

به عنوان مثال اگر فوتون‌هایی را در نظر بگیریم که درون حفره میان دو آینه در وضعیتی مشابه گربه شرودینگر گرفتار شده باشند، می‌توانیم وضعیت آنها را پس از عبور اتم‌های ریدبرگ با اثر وابستگی کوانتومی که باز هم توسط شرودینگر تشریح شده، توضیح دهیم. در این صورت با دقت، مرحله‌به‌مرحله و ذره‌به‌ذره می‌توان شرایط را تشریح کرد و مکانیک کوانتومی را به حالتی شناخته شده از فیزیک عمومی تغییر وضعیت داد.

 تحقق رؤیای رایانه‌های کوانتومی

بر خلاف رایانه‌های امروزی که می‌توانند داده‌ها را به شکل صفر یا 1 نگهداری کنند، داده‌ها در رایانه‌های کوانتومی توسط کیوبیت‌ها که می‌توانند صفر، یک یا همزمان صفر و یک باشند، پردازش خواهند شد. اگر دو کیوبیت را در نظر بگیریم، می‌توانیم چهار حالت 00، 01، 10 و 11 را داشته باشیم و هر کیوبیت اضافه می‌تواند حالت‌های موجود را 2 برابر بیشتر کند. به عبارت دیگر اگر n کیوبیت داشته باشیم، باید انتظار 2 به توان n حالت را بکشیم.

واینلند و همکارانش اولین گروه محققانی بودند که نشان دادند انجام محاسبات با رایانه‌ای 2 کیوبیتی امکان‌پذیر است. در حال حاضر پردازش چندکیوبیتی ابداع شده و در طول زمان می‌توان رایانه‌های کوانتومی بزرگتری را تولید کرد. تنها مشکل اینجاست که باید واحدهای پردازشی ایزوله باشند و از سوی دیگر برای ارسال نتایج پردازش نیاز به تعامل با جهان خارج وجود دارد.

نسبیت و ساعت‌های نوری

مطابق نظریه نسبیت اینشتین، حرکت و جاذبه می‌تواند زمان را تحت تاثیر قرار دهد. به عبارت دیگر هرقدر جاذبه و سرعت بیشتر باشند، زمان کندتر حرکت خواهد کرد؛ اما این چیزی نیست که با ساعت‌های سزیومی امروزی قابل اندازه‌گیری باشد. شاید ساعت‌های آینده مانند ساعت یونی واینلند که از نور مرئی استفاده می‌کند و تنها از یک یا دو اتم تشکیل شده، بتوانند درک بهتری از گذر زمان در شرایط گوناگون به ما بدهند. در ساعت واینلند یک اتم برای نگه‌داشتن زمان و دیگری برای اینکه بدون برهم‌زدن حالت کوانتومی اتم‌ها امکان خوانندن ساعت وجود داشته باشد استفاده شده است. این ساعت‌‌ها آنقدر دقیق هستند که اگر یکی از آنها از زمان انفجار بزرگ تاکنون شروع به کار کرده باشد، تنها 5 ثانیه از زمان دقیق فاصله گرفته است.

 53273