فيزيك كوانتوم و نسل بعدي رايانه‌ها

 

جايزه نوبل فيزيك 2012 به ديويد واينلند آمريكايي و سرژ هروش فرانسوي تعلق گرفت. حتما طي يكي دو ماه گذشته اين خبر را خوانده‌ايد، اما دستاورد اين دو دانشمند چه بوده كه آنها را مستحق دريافت اين جايزه بزرگ و افتخارآفرين كرده بود و اين دستاورد چه تاثيري بر زندگي روزمره ما خواهد داشت؟اين دانشمندان، موفق به انجام آزمايشي شدند كه مي‌تواند زمينه ساخت رايانه‌هاي كوانتومي و ساعت‌هاي فوق‌العاده دقيق را فراهم كند. رايانه‌هاي كوانتومي نسل بعدي رايانه‌ها هستند كه مي‌توانند مدت انجام محاسبات پيچيده را از چند ماه به چند ثانيه كاهش دهند. ساعت‌هاي نوري نيز نسل بعد از ساعت‌هاي سزيمي هستند كه خطاي آنها فقط پنج ثانيه در 14 ميليارد سال است.اين فناوري‌هاي حيرت‌انگيز تنها با به دام انداختن يك فوتون يا اتم و برخورد دادن آن با يك ذره ديگر و بررسي خواص كوانتومي آنها در دسترس دانشمندان قرار گرفته است. آزمايشي كه تا مدتي پيش غيرممكن به نظر مي‌رسيد چراكه مشاهده يك ذره، خاصيت كوانتومي آن را از بين مي‌برد. رفتار جهان در مقياس اتمي و زيراتمي با آنچه ما به آن عادت كرده‌ايم بسيار متفاوت است. در جهان آشناي ما، هر جسم در يك زمان بخصوص و فقط در يك حالت وجود دارد. اگر اتومبيل شما در پاركينگ است اطمينان داريد كه در هيچ جاي ديگري نيست ولي يك الكترون مي‌تواند در يك زمان در بيش از يك نقطه وجود داشته باشد. اگر الكترون را به اتومبيل تشبيه كنيم، آزمايش واينلند و هروش ثابت مي‌كند طبق نظريه كوانتوم، اتومبيل شما دقيقا در همان لحظه توقف در پاركينگ، در حال حركت در خيابان نيز هست. اينشتين اين نظريه را عجيب و ترسناك مي‌دانست ولي آنچه براي دانشمندان قابل استناد است، فقط نتايج به دست آمده در آزمايشگاه‌هاست و تا به امروز همه آزمايش‌ها، صحت نظريه كوانتوم را تائيد كرده‌اند. اين نظريه اصل بنيادين تمدن مدرن است. ترانزيستورها، اينترنت و ليزر نمونه‌هايي از فناوري جديد هستند كه براساس قوانين مكانيك كوانتوم ساخته شده‌اند. نظريه كوانتوم از آزمايش‌هايي با دقت حيرت‌انگيز يك در يكصد ميليارد سربلند بيرون آمده و لقب موفق‌ترين نظريه تاريخ علم را از آن خود كرده است.طبق قوانين كوانتوم به محض اين كه مشاهده‌كننده‌اي با ذره‌اي وارد كنش متقابل شود و براي اندازه‌گيري وضع دقيق آن اقدام كند، ماده در يكي از حالت‌هاي خود ثابت مي‌شود. در واقع همين كه شخصي به شما اطلاع مي‌دهد اتومبيل شما را در يك خيابان ديده است و شما براي اطمينان از گفته او به آن خيابان مي‌رويد، هيچ اثري از آن نمي‌يابيد و با اطمينان ادعا مي‌كنيد اتومبيل فقط در پاركينگ وجود دارد ولي همه شواهد و مدارك خلاف ادعاي شما را اثبات مي‌كند. مثلا در همان زمان چند مامور پليس در چند شهر مختلف اتومبيل شما را جريمه كرده‌اند. اگر اين موضوع برايتان غيرعادي و بيشتر شبيه داستان‌هاي خيالي است به اين دليل است كه اجرام بزرگي مانند بدن ما تابع قوانين نيوتن هستند كه براي جسم، مكان منحصربه‌فردي در نظر مي‌گيرد ولي علم به ما مي‌آموزد اعتبار بخشيدن به عادت‌هاي ذهني تا جايي معقول است كه با يافته‌هاي آزمايشگاهي و نظريات علمي در تناقض نباشد. در دنياي ذرات، قوانين فيزيك تا حدود زيادي باورهاي عادي ما را از ماهيت جهان هستي به چالش مي‌كشد.

نحوه انجام آزمايش

هروش و واينلند از دو روش متفاوت ولي مشابه براي انجام آزمايشات خود استفاده كردند. هروش در اين باره مي‌گويد: «من از اتم‌ها براي مطالعه فوتون‌ها استفاده مي‌كنم و واينلند از فوتون‌ها براي مطالعه اتم‌ها.» هروش در دستگاه ابداعي خود، دو آينه بسيار صيقلي را روبه‌روي يكديگر قرار داد و چند فوتون را ميان آن دو به نوسان واداشت. فوتون‌ها قبل از خارج شدن از دستگاه يا جذب شدن توسط محيط، به مدت 1‌/‌0 ثانيه بين دو آينه در حركت بودند.

نكته: ساخت ساعت‌هاي نوري فوق‌العاده دقيق از ديگر دستاوردهاي اين آزمايش‌هاست. اگر يكي از اين ساعت‌ها را در لحظه آغاز جهان تنظيم كرده باشيد، تا امروز در بدترين حالت، كمتر از 5 ثانيه خطا داشته است

سپس اتم‌هاي ريدبرگ كه كنش متقابل بسيار زيادي با فوتون‌ها دارند و هزار مرتبه از اتم‌هاي عادي بزرگ‌تر هستند به درون دستگاه هدايت شدند. با اندازه‌گيري تغيير ايجاد شده در طول موج اتم‌هاي ريدبرگ كه در اثر برخورد با فوتون‌ها ايجاد شده است مي‌توان مقدار انرژي و حالت كوانتومي فوتون‌هاي داخل دستگاه را اندازه گرفت. اتم‌هاي ريدبرگ را اتم‌هاي جاسوس نيز مي‌نامند زيرا بدون اين كه حضور ما احساس شود اطلاعات فوتون‌هاي داخل دستگاه را برايمان جمع‌آوري مي‌كنند. در شرايط معمولي مشاهده رفتار فوتون‌ها ممكن نيست چون مشاهده يعني جذب آنها توسط شبكيه چشم يا لنز دوربين.

رايانه كوانتومي

احتمالا اولين دستاورد عملي اين موفقيت، پيشرفت رايانه‌هاي كوانتومي خواهد بود. اساس كار رايانه‌هاي امروزي بر ترانزيستورهاي سيليكوني بنا شده است ولي دانشمندان تقريبا به حد نهايي ظرفيت ترانزيستورها نزديك شد‌ه‌اند و روند ساخت رايانه‌هاي پرقدرت هر روز كندتر مي‌شود. قانون مور كه بيان مي‌كند قدرت رايانه‌ها هر 18 ماه يك بار دو برابر مي‌شود در حال فروپاشي است. محققان با كشف قابليت‌هاي كوانتومي ذرات به فكر استفاده از ذرات به جاي ريزتراشه‌هاي سيليكوني افتادند. حافظه رايانه‌هاي معمولي از بيت‌هايي ساخته‌شده كه به صورت صفر و يك عمل مي‌كند. در يك لحظه بخصوص آنها يا در حالت صفر هستند يا در حالت يك. در يك رايانه فرضي با 4 بيت حافظه، رايانه مي‌تواند 16 حالت ممكن داشته باشد ولي در يك لحظه فقط مي‌تواند در يكي از اين حالت‌ها قرار بگيرد چراكه براي تغيير صفر به يك يا بالعكس و عبور به وضع بعدي به زمان نياز داريم ولي طبق نظريه كوانتوم ذراتي مانند اتم‌ها مي‌توانند در آن واحد در بيش از يك حالت وجود داشته باشند. بنابراين در رايانه‌هاي كوانتومي يك بيت كه كيوبيت ناميده مي‌شود مي‌تواند همزمان، هم صفر و هم يك باشد.به عبارت ديگر يك رايانه 4 بيتي مي‌تواند به طور همزمان در 16 وضع ممكن محاسبات را انجام دهد و فقط وقتي انسان تصميم به خواندن نتيجه محاسبات مي‌گيرد در يك وضع از وضع‌هاي ممكن قرار گيرد و نتيجه محاسبات موازي را در اختيار او مي‌گذارد. با استفاده از اين روش، محاسبات عملا روي اتم‌ها انجام مي‌گيرد. اگر اين رايانه‌ها ساخته شوند شكستن پيچيده‌ترين كدهاي امنيتي كه با رايانه‌هاي معمولي هزاران سال به طول مي‌انجامد، تنها مدت چند ساعت تا چند ماه امكان‌پذير مي‌شود. محققان موفق به ساخت نمونه‌هاي ابتدايي اين نوع رايانه شده و توانسته‌اند محاسباتي مانند 15=3×5 را به وسيله آن انجام دهند! بزرگ‌ترين مانع بر سر راه اين رايانه‌ها شيوه نزديك شدن به ذرات و كاركردن با آنها بدون از بين‌بردن حالت كوانتومي آنهاست كه هروش و واينلند با ايده ذرات جاسوس اين مشكل را تا حدود زيادي حل كرده‌اند. البته مشكل ديگري هم وجود دارد و آن ايجاد خلاء كامل براي ذرات محاسبه‌گر است.برخورد حتي يك ذره مانند ذره‌اي كه از يك توفان خورشيدي يا انفجار ابرنواختري دوردست به كره زمين رسيده است، حالت كوانتومي ذرات را از بين مي‌برد. براي ساخت يك رايانه كوانتومي با قدرت يك لپ‌تاپ معمولي به هزاران اتم نياز داريم كه بتوانند به صورت كاملا هماهنگ با يكديگر ارتعاش كنند. برخورد حتي يك مولكول هوا با يكي از اين اتم‌ها، رايانه را از كار خواهد انداخت. اگر اين موانع برطرف شود تحولي كه رايانه‌هاي كوانتومي در زندگي بشر ايجاد مي‌كنند، درست مانند تحولي است كه ظهور رايانه در زندگي بشر به وجود آورد.

ساعت فوق دقيق

ساخت ساعت‌هاي نوري فوق‌العاده دقيق از ديگر دستاوردهاي اين آزمايش‌هاست. دقت ساعت‌هاي نوري كه بر پايه حركت ذرات در مقياس كوانتومي ساخته مي‌شوند، باورنكردني است. اگر يكي از اين ساعت‌ها را در لحظه آغاز جهان تنظيم كرده باشيد، تا امروز در بدترين حالت، كمتر از 5 ثانيه خطا داشته است.با توجه به اين‌كه عالم هستي در لحظه پيدايش، از يك الكترون هم كوچك‌تر بوده است به نظر نمي‌رسد وجود چنين تفاوت بزرگي ميان قوانين حاكم بر ذرات و اجرام بزرگ واقعي باشد. يافتن يك نظريه جامع و يكپارچه كه بتواند قوانين كوانتوم و نسبيت اينشتين را پيوند دهد و پرده از راز تبديل يك ذره زيراتمي به دنياي شگفت‌انگيز ما بردارد، بزرگ‌ترين روياي فيزيكدانان است. كاري كه اينشتين آن را «خواندن ذهن خداوند» مي‌دانست.





تاريخ : دو شنبه 29 آبان 1391برچسب:, | | نویسنده : مقدم |