آنچه قهوه با خامه می‌تواند به ما درمورد فیزیک کوانتومی بیاموزد

کمی خامه به قهوه صبح خود اضافه کنید تا ابرهای مایع سفیدرنگ در اطراف فنجان شما بچرخد. اما چند ثانیه به آن فرصت دهید تا چرخش‌ها ناپدید شوند و شما را با یک لیوان معمولی حاوی مایع قهوه‌ای باقی بگذارند.

چیزی مشابه همین موضوع در تراشه‌های کامپیوتری کوانتومی اتفاق می‌افتد. این تراشه‌ها دستگاه‌هایی در کوچک‌ترین مقیاس‌ها هستند که به ویژگی‌های عجیب کیهان دست می‌زنند؛ جایی که اطلاعات می‌توانند به‌سرعت درهم ریخته شوند و قابلیت‌های حافظه این ابزارها را محدود کنند.

«راهول ناندکیشور»، دانشیار فیزیک در دانشگاه کلرادو بولدر می‌گوید لزومی ندارد که اوضاع اینطور پیش برود!

در یک ایده جدید برای فیزیک نظری، او و همکارانش از ریاضیات استفاده کرده‌اند تا نشان دهند که دانشمندان می‌توانند اساساً سناریویی ایجاد کنند که در آن شیر و قهوه هرگز باهم مخلوط نشوند و مهم نیست چقدر آن‌ها را به‌هم می‌زنیم.

یافته‌های این گروه ممکن است منجر به پیشرفت‌های جدیدی در تراشه‌های کوانتومی شود که روش‌های جدیدی را برای ذخیره اطلاعات در اجسام بسیار ریز در اختیار مهندسان قرار می‌دهد.

ناندکیشور، نویسنده ارشد این مطالعه جدید می‌گوید:

«به الگوهای چرخشی اولیه فکر کنید که وقتی خامه را به قهوه صبح خود اضافه می‌کنید، ظاهر می‌شوند. تصور کنید این الگوها بدون توجه به مدت‌زمانی که تماشا کرده‌اید به چرخش و رقص ادامه می‌دهند.»

محققان هنوز باید آزمایش‌هایی را در آزمایشگاه انجام دهند تا مطمئن شوند که چرخش‌های بی‌پایان واقعاً امکان‌پذیر هستند. اما نتایج این گروه یک گام بزرگ روبه‌جلو برای فیزیکدانانی است که به‌دنبال ایجاد موادی هستند که برای مدت طولانی خارج از تعادل یا در تعادل باقی می‌مانند.

حافظه کوانتومی

این مطالعه که با پژوهش‌های نویسندگان مشترک «دیوید استفن» و «الیور هارت» پیش می‌رود، به یک مشکل رایج در محاسبات کوانتومی بستگی دارد.

کامپیوترهای معمولی روی «بیت‌ها» کار می‌کنند که به شکل صفر یا یک هستند. ناندکیشور توضیح می‌دهد که رایانه‌های کوانتومی، درمقابل، «کیوبیت‌ها» را به‌کار می‌گیرند که می‌توانند به‌صورت صفر، یک یا به‌دلیل عجیب‌بودن فیزیک کوانتومی، به‌طور هم‌زمان صفر و یک باشند.

مهندسان کیوبیت‌ها را از طیف وسیعی از چیزها ساخته‌اند؛ ازجمله اتم‌های مجزا که توسط لیزرها یا دستگاه‌های کوچکی به نام ابررساناها به دام افتاده‌اند.

اما درست مانند آن فنجان قهوه، کیوبیت‌ها می‌توانند به‌راحتی باهم مخلوط شوند. برای مثال، اگر تمام کیوبیت‌های خود را به یک برگردانید، درنهایت به جلو و عقب می‌چرخند تا زمانی که کل تراشه به یک آشفتگی بی‌نظم تبدیل شود.

در تحقیقات جدید، ناندکیشور و همکارانش ممکن است راهی برای دورزدن این تمایل به اختلاط پیدا کرده باشند. این گروه محاسبه کرد که اگر دانشمندان کیوبیت‌ها را در الگوهای خاصی مرتب کنند، این مجموعه‌ها اطلاعات خود را حفظ خواهند کرد. حتی اگر با استفاده از میدان مغناطیسی یا اختلالی مشابه آن‌ها را مختل کنید. این ویژگی می‌تواند به مهندسان اجازه دهد که دستگاه‌هایی با نوعی حافظه کوانتومی بسازند.

ارتباط با هندسه

در این مطالعه، محققان از ابزارهای مدل‌سازی ریاضی برای تصور آرایه‌ای از صدها تا هزاران کیوبیت استفاده کردند که در یک الگوی شطرنجی چیده‌ شده‌اند.

آن‌ها در این ترفنده کیوبیت‌ها را در یک نقطه تنگ قرار دادند. ناندکیشور توضیح داد که اگر کیوبیت‌ها به‌اندازه کافی به یکدیگر نزدیک شوند، می‌توانند بر رفتار همسایگان خود تأثیر بگذارند؛ تقریباً مانند جمعیتی از مردم که سعی می‌کنند خود را در یک باجه تلفن فشرده کنند.

برخی از این افراد ممکن است راست یا روی سر خود ایستاده باشند، اما نمی‌توانند بدون فشارآوردن‌ به دیگران به‌سمت دیگر حرکت کنند.

محققین محاسبه کردند که اگر این الگوها را به‌درستی بچینند، آن الگوها ممکن است در اطراف یک تراشه کامپیوتر کوانتومی جریان داشته باشند و هرگز تحلیل نخواهند رفت. دقیقاً مانند ابرهای خامه‌ای که برای همیشه در قهوه شما می‌چرخند.

ناندکیشور گفت:

«نکته شگفت‌انگیز درمورد این مطالعه این است که ما کشف کردیم که می‌توانیم این پدیده اساسی را از طریق هندسه تقریباً ساده درک کنیم.»

یافته‌های این تیم می‌تواند بسیار بیشتر از رایانه‌های کوانتومی تأثیر بگذارد. ناندکیشور توضیح می‌دهد که تقریباً همه‌چیز در جهان، از فنجان‌های قهوه گرفته‌ تا اقیانوس‌های وسیع، به‌سمت چیزی حرکت می‌کنند که دانشمندان آن را «تعادل حرارتی» می‌نامند. برای مثال، اگر یک تکه یخ را در لیوان بیاندازید، گرمای قهوه، یخ را ذوب می‌کند و درنهایت مایعی با دمای یکنواخت تشکیل می‌دهد.

بااین‌حال، یافته‌های جدید او به مجموعه تحقیقاتی رو به رشدی می‌پیوندد که نشان می‌دهد برخی از سازمان‌های کوچک ماده می‌توانند دربرابر تعادل مقاومت کنند. ظاهراً این امر برخی از تغییرناپذیرترین قوانین جهان را می‌شکنند.