همدوسی کوانتومی (Quantum Coherence) چیست؟
همدوسی کوانتومی (Quantum Coherence) به معنای واقعی چیست؟ کیوبیت ها چطور کار می کنند؟ کامپیوتر های کوانتومی چگونه اطلاعات را ذخیره می کنند؟ در این مقاله به معرفی کامل این مفاهیم می پردازیم.
وقتی پیامی قابل فهم نباشد یا بیمعنی باشد، میگوییم که آن پیام ناهمدوس است. یک یادداشت خطخطی یا مکالمهای که پنج میز آنطرفتر در یک کافه شلوغ در حال وقوع است، همگی میتوانند ناهمدوس باشند. به طور کلی، «همدوس» به معنای متضاد آن است: سازگار، مرتبط، واضح.
در علم، واژهٔ همدوسی تعاریف دقیقتر و ریاضیاتی به خود میگیرد، اما همگی به مفهومی مشابه اشاره دارند: چیزی همدوس است اگر قابل فهم باشد، اگر یک کل یکپارچه را تشکیل دهد و اگر این دو ویژگی نخست پابرجا بمانند.
دانشمندان در ابتدا مفهوم همدوسی را برای درک و توصیف رفتار موجی نور توسعه دادند. از آن زمان، این مفهوم به سایر سیستمهای شامل امواج، مانند سیستمهای آکوستیک، الکترونیکی و مکانیک کوانتومی، تعمیم داده شده است.
مارتین هولت، دانشمندی در آزمایشگاه ملی Argonne وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) و عضو Q-NEXT، یک مرکز تحقیقاتی ملی علوم اطلاعات کوانتومی DOE به رهبری Argonne، گفت: «همدوسی معیاری است از اینکه سیستمهای خاص تا چه حد روابط خود را با یکدیگر حفظ میکنند و تا چه حد میتوانیم تکامل آن سیستمها را پیشبینی کنیم. درک و کنترل همدوسی در فناوریهای کوانتومی بسیار مهم است، زیرا روابط موجود باید بسیار طولانیمدت و به خوبی قابل فهم باشند.»
مانند محققان سراسر جهان، دانشمندان Q-NEXT در حال مطالعه و بهبود همدوسی در سیستمهای کوانتومی برای فناوریهایی مانند حسگری کوانتومی و محاسبات کوانتومی هستند. این فناوریها پس از تحقق، از همدوسی برای انجام محاسبات پیچیده، اندازهگیریهای با وضوح بالا و انتقال پیامهای غیرقابل هک استفاده میکنند، که به طور بالقوه رویکرد ما را به ارتباطات، امنیت سایبری، شبیهسازی، بهینهسازی و موارد دیگر متحول میکند.
امواج همدوس
یک موج را تصور کنید که به طور دورهای با سرعت مشخص (فرکانس) بالا و پایین میرود و ارتفاع یا شدت مشخصی (دامنه) دارد. حال، موج دومی را اضافه کنید. اگر دو موج نسبت به یکدیگر جابجا شده باشند—اگر با هم بالا و پایین نروند—گفته میشود که خارج از فاز هستند. این اختلاف فاز است که تعیین میکند آیا امواج با هم تداخل میکنند تا اثر تقویتکننده یا خنثیکننده روی یکدیگر داشته باشند، یا چیزی بین این دو.
این را در زندگی روزمره میبینیم. تداخل سازنده زمانی رخ میدهد که دو خواننده صدای یکدیگر را تقویت میکنند، یا زمانی که دوستتان را روی ترامپولین دو برابر پرش میدهید. تداخل مخرب امواج صوتی، اصل پشت هدفونهای حذف نویز است.
دو موج زمانی همدوس هستند که رابطه معناداری بین فازهای آنها وجود داشته باشد یا زمانی که تداخل آنها یک الگوی قابل فهم ایجاد کند. در اصل، همدوسی معیاری از میزان همگام بودن امواج با یکدیگر است. درجههای همدوسی وجود دارد؛ امواج میتوانند کم یا بیش با یکدیگر همدوس باشند.
به عنوان مثال، لیزرها برای انتشار نور بسیار همدوس طراحی شدهاند. آنها حاوی اتمهایی هستند که با انرژی تحریک میشوند و پس از واپاشی، فوتونها (ذرات نور) را با فرکانس و فاز یکسان با یکدیگر منتشر میکنند. این فوتونها از آینههای داخل لیزر منعکس میشوند که برای تقویت نوری که فقط در جهت و فرکانس معین حرکت میکند، عمل میکنند. این تداخل ویژه—یا همدوسی—بین فوتونها منجر به یک پرتو نور بسیار متمرکز و یکنواخت میشود. امواج صوتی نیز میتوانند به طور مشابه همدوس باشند، و دانشمندان حتی لیزرهای صوتی یا سیزرها را نیز ساختهاند.
همدوسی کوانتومی
در مکانیک کوانتومی، اشیاء میتوانند به عنوان ترکیبی از امواج یا ذرات نشان داده شوند. در اصل، این موضوع در مورد هر شیئی صدق میکند. اما این نوع نگاه به مسائل، زمانی بهترین عملکرد را دارد که با اشیاء بسیار کوچک مانند فوتونها، سایر ذرات بنیادی و اتمها سروکار داریم.
اشیاء کوانتومی را میتوان با نوع خاصی از شناسه به نام تابع موج توصیف کرد. این نوعی موج تقویتشده است، زیرا میتواند مقدار باورنکردنی از اطلاعات را در گوشهها و زوایای ریاضی خود جای دهد.
دلیل این امر این است که توابع موج، خودشان ترکیبی از امواج هستند. همدوسی کوانتومی به روابط فازی بین این امواج اشاره دارد—امواجی که با هم کل شیء را توصیف میکنند. هنگامی که این امواج به صورت همدوس با یکدیگر تداخل میکنند، منجر به برهمنهی کوانتومی میشوند، یک ویژگی محوری در مکانیک کوانتومی که به یک شیء اجازه میدهد به طور همزمان در چندین حالت وجود داشته باشد.
اینجاست که جنبهی منحصربهفرد کوانتومی آشکار میشود. امواج تشکیلدهندهی تابع موج کوانتومی یک شیء، با مقادیر فیزیکی مانند موقعیت یا انرژی مطابقت ندارند. در عوض، آنها با احتمال وقوع روشهای مختلف ممکن برای تکامل حالت شیء مطابقت دارند—به عنوان مثال، احتمال اینکه انرژی آن در طول زمان به روشی خاص تغییر کند، یا احتمال اینکه در مکانی خاص به روشی خاص بچرخد. همدوسی کوانتومی، تداخلی بین این تاریخهای احتمالی آیندهی مختلف شیء است.
با این حال، این تداخل فقط تا زمانی میتواند وجود داشته باشد که سیستم مشاهده یا مختل شود. در آن نقطه، تداخل بین امواج از بین میرود و برهمنهی از دست میرود. به نظر میرسد شیء فقط یکی از تاریخهای ممکن را تجربه کرده است.
تداخل تاریخهای احتمالی آینده به چه معناست؟ و اینکه تابع موج به فقط یکی از آن تاریخها فرو بریزد، به چه معناست؟ اینها سوالات دشواری هستند. در حال حاضر، ما بیشتر در مورد نحوه استفاده از این ویژگی مکانیک کوانتومی میدانیم تا اینکه چه معنایی برای ماهیت واقعیت ما دارد.
حسگری در سطح کوانتومی
همدوسی شکننده و محافظت از آن دشوار است. اشیاء و سیستمهای کوانتومی کاملاً جدا شده میتوانند همدوسی را به طور نامحدود حفظ کنند، اما دستکاری یا بررسی آنها غیرممکن خواهد بود.
هنگامی که یک شیء کوانتومی با اشیاء یا میدانهای دیگر مواجه میشود، تأثیرات تصادفی از هر کدام را دریافت میکند. حتی عمل اندازهگیری شیء به ناچار نویز را وارد میکند و رمزگشایی تابع موج اصلی آن را دشوار—اگر نگوییم غیرممکن—میکند. در نتیجه، اطلاعاتی که در سیستم همدوس ذخیره شده بود، در فرآیندی به نام ناهمدوسی از بین میرود.
اما برای برخی کاربردها، ناهمدوسی میتواند یک مزیت باشد.
جنیفر دیون، استاد علم مواد و رادیولوژی در دانشگاه استنفورد و معاون مدیر Q-NEXT، گفت: «اگر شیئی را در یک برهمنهی معین از حالات با همدوسی معین آماده کنید و آن را به محیطی با تأثیرات ناشناخته بفرستید، آنگاه تغییر در رابطه فازی شیء میتواند اطلاعات معناداری در مورد محیط ارائه دهد.»
در اینجا، خود شیء کوانتومی حسگر است. از آنجایی که رابطه فازی آن بسیار حساس است، به تأثیرات ظریف محیط به شکلی بزرگ پاسخ میدهد. این حساسیت میتواند تشخیص و تصویربرداری با وضوح بسیار بالا را امکانپذیر کند. همدوسی کوانتومی به دانشمندان اجازه میدهد حسگر را در یک حالت قابل فهم شروع کنند که در طول زمان پایدار خواهد ماند. این امر تعیین پسروندهی چگونگی تغییر آن حالت و اینکه آن تغییرات چه معنایی در مورد محیط دارند را آسانتر میکند.
به عنوان مثال، آزمایشگاه دیون در حال توسعه حسگرهای کوانتومی برای تشخیص نیرو است.
دیون گفت: «ما در حال بررسی چگونگی تغییر رنگ نانوذرات هنگام مواجهه با نیروی مکانیکی در یک ارگانیسم هستیم. ما شروع به استقرار این حسگرها در ارگانیسمهای زنده با استفاده از کرمها به عنوان سوژه آزمایشی کردهایم. با اعمال نیرو توسط دستگاه گوارش کرمها، انتقالهای کوانتومی در داخل نانوذره باعث تغییر رنگ آن میشود که میتوانیم در طول هضم آن را بخوانیم.»
ساعتهای اتمی و حسگرهای امواج گرانشی نیز برای دقت فوقالعاده به همدوسی کوانتومی متکی هستند. سایر نمونههای کاربردهای حسگری آینده با استفاده از همدوسی کوانتومی شامل فناوریهای تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI) مینیاتوریشده است که میتوان از آنها برای اسکن سلولها یا مولکولهای منفرد یا بهبود قابل توجه وضوح اسکنهای MRI کل ارگانیسم استفاده کرد.
همدوسی کوانتومی در سیستمهای بیولوژیکی نیز نقش دارد. دانشمندان بر این باورند که پرندگان از همدوسی کوانتومی پروتئینها در چشم خود برای حس میدان مغناطیسی زمین جهت ناوبری، مانند یک GPS داخلی، استفاده میکنند. محققان در حال توسعه حسگرهای میدان مغناطیسی با استفاده از همین اصول هستند تا به انسانها در موقعیتهایی که GPS مبتنی بر ماهواره غیرممکن است، کمک کنند.
سلام موجی به محاسبات کوانتومی
یک شیء همدوس میتواند به عنوان یک حسگر عالی عمل کند. دو یا چند شیء کوانتومی که با یکدیگر همدوس هستند، محاسبات کوانتومی را امکانپذیر میکنند. بیت سنتی یا کلاسیک در یک کامپیوتر میتواند در یکی از دو حالت 0 یا 1 وجود داشته باشد. به لطف برهمنهی کوانتومی، یک بیت کوانتومی—یک کیوبیت —میتواند به طور همزمان در ترکیبی از دو حالت وجود داشته باشد. همدوسی مسئول حفظ روابط فازی، و در نتیجه برهمنهی، بین این حالات در طول زمان و فضا است.
دیون گفت: «در محاسبات کوانتومی، به جای انجام عملیاتی مانند جمع یا ضرب روی بیتهای کلاسیک، شما عملیاتی را روی اجزای مختلف امواجی که تابع موج را تشکیل میدهند، انجام میدهید. حفظ همدوسی برای مدت زمان کافی مهم است تا با انجام عملیات توسط رایانه، خطاها به دلیل ناهمدوس شدن اجزای مختلف تابع موج جمع نشوند.»
همدوسی همچنین مسئول حفظ درهمتنیدگی است، یک حالت خاص از برهمنهی که برای محاسبات کوانتومی بسیار مهم است. هنگامی که اشیاء کوانتومی درهمتنیده میشوند، حتی اگر از نظر فیزیکی توسط فواصل زیاد از هم جدا شده باشند، همبستگی خاصی را با یکدیگر حفظ میکنند.
دیون گفت: «تا زمانی که دو شیء درهمتنیده با یکدیگر همدوس بمانند، میتوانید عملیاتی را روی یکی از آنها انجام دهید، و این به شما اطلاعاتی در مورد دیگری میدهد.»
فرض کنید میخواهید از یک رایانه کوانتومی برای پیشبینی موفقیت یک مهمانی پیتزا که قصد دارید برگزار کنید، استفاده کنید. ابتدا باید تصمیم بگیرید که چه عواملی در یک مهمانی موفق نقش دارند، مانند طعم پیتزا و تعداد مهمانان. میتوانید یک کیوبیت را برای نشان دادن نسبت آب به آرد در خمیر پیتزای خود اختصاص دهید، به طوری که 0 نشان دهنده عدم وجود آب، 1 نشان دهنده فقط آب و برهمنهی بین آنها نشان دهنده تمام نسبتهای ممکن باشد. کیوبیت دیگری میتواند تعداد افرادی را که حاضر میشوند، از هیچکس تا همه کسانی که دعوت کردهاید، نشان دهد. شاید کیوبیت سوم نشان دهنده احتمال سوختن غذای شما باشد، و به همین ترتیب.
هولت گفت: «شما تمام این احتمالات را در حالتهای تمیز و همدوس ثبت میکنید و اجازه میدهید سیستم در طول زمان تکامل یابد. اگر شبیهسازی را به اندازه کافی تکرار کنید، احتمال موفقیت مهمانی را بر اساس عواملی که در توابع موج کیوبیت های درهمتنیده کدگذاری کردهاید، به دست میآورید. اما شبیهسازی فقط در صورتی ادامه مییابد که حالتها همدوس باشند.»
به دلیل نحوه جاسازی اطلاعات در تابع موج، فقط تعداد کمی کیوبیت میتوانند مسائل بسیار پیچیده و واقعی با وابستگیهای زیاد، مانند بهینهسازی شبکه برق یا یافتن کارآمدترین روش توزیع کالاها در سراسر جهان را نشان دهند. هرچه سیستم مدت طولانیتری همدوس باشد، محاسبات پیچیدهتر میتوانند انجام شوند.
حفظ همدوسی کوانتومی
کار هولت در Argonne بر توسعه کیوبیت های مبتنی بر ماده متمرکز است، جایی که یک نقص—به عنوان مثال، یک اتم جایگزین شده یا یک جای خالی اتمی—در ساختار عادی یک ماده جاسازی میشود. اگرچه دانشمندان سعی میکنند از نقصها در برابر ناهمدوسی محافظت کنند، اما تغییرات کوچک در دما، فشار یا میدانهای مغناطیسی میتوانند نویز ایجاد کنند.
تصور کنید در باشگاه در حال دویدن هستید و موسیقی از بلندگوها پخش میشود. متوجه میشوید که دویدن با سرعت خودتان به جای دویدن با ریتم موسیقی دشوار است و این جریان شما را خراب میکند.
هولت گفت: «چند راه برای جلوگیری از این امر وجود دارد. میتوانید از گوشگیر استفاده کنید تا از تأثیر خارجی جدا شوید، یا میتوانید شروع به دویدن بسیار سریعتر یا آهستهتر کنید تا جدا کردن ریتم بدن خود از ریتم موسیقی آسانتر شود. سپس، حتی اگر موسیقی تغییر کند، اهمیتی نمیدهید زیرا به قدری از آن دور هستید.»
برای جدا کردن کیوبیت ها از نویز، دانشمندان رایانههای کوانتومی را بسیار سرد—نزدیک به صفر مطلق—نگه میدارند. آنها با طراحی و دستکاری حالتهای کیوبیت ها برای پاسخ به فرکانسهای نور یا صدا که محیط اطرافشان تحت تأثیر آنها قرار نمیگیرد، کیوبیت ها را بیشتر از محیط اطرافشان جدا میکنند.
دستیابی به این امر دشوار است و محافظت از انواع مختلف کیوبیت ها نسبت به سایرین آسانتر است. تا کنون، طولانیترین کیوبیت ها، اتمهای به دام افتاده نامیده میشوند که نشان داده شده است برای چندین دقیقه یا بیشتر همدوس باقی میمانند. با این حال، استفاده از این کیوبیت ها برای کاربردهای محاسباتی دشوار است. یک نمایش اخیر از همدوسی طولانیمدت توسط دانشمندان Q-NEXT در Argonne و دانشگاه شیکاگو انجام شد. این تیم نشان داد که یک کیوبیت نیمهرسانا خاص، نوعی کیوبیت که برای محاسبات کوانتومی امیدوارکنندهتر است. این کیوبیت بیش از پنج ثانیه همدوس باقی ماند.
هولت گفت: «جلوگیری از اتلاف اطلاعات از طریق ناهمدوسی، بخش دشوار علم اطلاعات کوانتومی است و به همین دلیل این حوزه به این نام خوانده میشود. این فقط علم کوانتومی نیست، بلکه پردازش اطلاعات با استفاده از همدوسی کوانتومی است.»
پیشنهاد مطالعه: کشفی با قدمت 93 سال، در حال تغییر آینده محاسبات کوانتومی است
پیشنهاد مطالعه: بازگشت زمان: کشفی که دانش ما را به چالش می کشد
پیشنهاد مطالعه: اکسایتون ها و مغناطیس: هم افزایی برای تحقق فناوری کوانتومی مقیاس پذیر
منابع مطالعاتی
What is quantum coherence? (2025, February 19) retrieved 22 February 2025 from
https://phys.org/news/2025-02-quantum-coherence.html
دیدگاهتان را بنویسید