دستاورد خیره کننده دانشمندان: تله‌ پورت انرژی با استفاده از رایانه کوانتومی

دانشمندان فیزیک کوانتوم موفق شدند تا به وسیله رایانه کوانتومی، انرژی استخراج شده از فضا را به مکانی جدید منتقل (تله‌ پورت) کنند.

متخصصان و دانشمندان فیزیک و کامپیوتر دانشگاه پردو ایالات متحده آمریکا، در یک شبیه‌سازی از رایانه کوانتومی برای انتقال و ذخیره سازی انرژی در یک کیوبیت استفاده کردند. آنها موفق شدند ضمن این تحقیق انرژی استخراج شده از فضا را به مکانی جدید تله پورت کنند. اما رایانه کوانتومی چیست و آیا این یافته دانشمندان می‌تواند موجب تحول دنیای واقعی ما شود؟

تله‌ پورت انرژی استخراج شده از فضا با رایانه کوانتومی

کامپیوترهای کوانتومی ماشین‌هایی هستند که از ویژگی‌های فیزیک کوانتومی برای ذخیره داده ها و انجام محاسبات استفاده می‌کنند. این فناوری حتی از بهترین ابررایانه های ساخته شده بسیار بهتر عمل می‌کند. در یک کامپیوتر کوانتومی، واحد اصلی حافظه یک بیت کوانتومی یا کیوبیت است.

کیوبیت ها با استفاده از سیستم‌های فیزیکی مانند اسپین یک الکترون یا جهت یک فوتون ساخته می‌شوند. این بیت کوانتومی می‌تواند به‌طور هم‌زمان در آرایش‌های مختلف باشد و خاصیتی که به عنوان برهم‌نهی کوانتومی شناخته می‌شود رقم زند. کیوبیت ها همچنین می‌توانند با استفاده از پدیده ای به نام درهم تنیدگی کوانتومی به طور جدایی ناپذیری به یکدیگر متصل شوند. نتیجه این است که مجموعه‌ای از کیوبیت ها می‌توانند چیزهای مختلفی را به طور همزمان نشان دهند.

چند صد کیوبیت درهم تنیده برای نمایش اعدادی بیشتر از اتم های موجود در جهان کافی است. در شرایطی که تعداد زیادی ترکیب ممکن وجود دارد، کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند آنها را به طور همزمان در نظر بگیرند. به عنوان مثال می‌توان به تلاش برای یافتن فاکتورهای اول یک عدد بسیار زیاد یا بهترین مسیر بین دو مکان اشاره کرد. با این حال، ممکن است موقعیت‌های زیادی نیز وجود داشته باشد که رایانه‌های متداول همچنان بهتر از رایانه‌های کوانتومی عمل کنند. بنابراین کامپیوترهای آینده ممکن است ترکیبی از هر دو نوع باشند.

محققان دانشگاه پردو در ایالات متحده نیز با یافتن مزایای رایانش کوانتومی، که مهم‌ترین آنها استفاده از آن برای برداشت انرژی، انتقال آن به جای دیگر و ذخیره آن برای استفاده در آینده است، به دستاوردهای جدیدی رسیده‌اند. دانشمندان در این زمینه نظریه‌های جدیدی را پیشنهاد می‌کنند که قبل از تبدیل شدن به قوانینی که بر درک ما از این زمینه حاکم است، به طور گسترده مورد آزمایش قرار می‌گیرند و تله‌ پورت انرژی را رقم میزند.

یکی از این قوانین بیان می‌کند که فضای کاملی در قلمرو کوانتومی وجود ندارد. حتی اگر فضا از کوچکترین اتم‌ها پاک شود، سوسوهای ریز میدان‌های کوانتومی همچنان در آن باقی می‌ماند و حتی ویژگی‌های کوانتومی مانند درهم‌ تنیدگی دارد. فیزیک کوانتومی هنوز یک رشته در حال ظهور است و چیزهای زیادی در مورد آنچه که می‌توان با آن انجام داد، ناشناخته باقی مانده است.

درهم تنیدگی کوانتومی و نقش آن در انتقال انرژی

درهم‌ تنیدگی کوانتومی پدیده‌ای جذاب در فیزیک کوانتوم است که رفتار گروهی از ذرات را توضیح می‌دهد که حالت کوانتومی آنها مستقل از سایرین قابل توصیف نیست. این درهم‌ تنیدگی حتی زمانی که فاصله زیادی ذرات را از هم جدا می‌کند، ادامه دارد. در سال ۲۰۰۸، ماساهیرو هوتا پژوهشگری از دانشگاه توهوکو در ژاپن پیشنهاد کرد که سوسوهای کوچک میدان‌های کوانتومی در فضاهای خالی، زمانی که درهم‌تنیده می‌شوند، می‌توانند برای تله‌ پورت انرژی از راه دور استفاده شوند.

این ایده برای بیش از یک دهه یک آزمایش فکری باقی ماند تا اینکه تحقیقات رایانش کوانتومی سرعت گرفت. وقتی محققان آزمایش‌های هوتا را انجام دادند، به‌طور عملی توانستند انرژی را از راه دور انتقال دهند، اما به مانع جدیدی برخورد کردند. انرژی منتقل شده که به محیط اطراف نشت می‌کرد، از بین رفت و قابل ذخیره نبود. بااین‌حال تیم تحقیقاتی دانشگاه پردو در ایالات متحده به سرپرستی سابر کیس (Saber Kais)، اکنون راه حلی با استفاده از رایانش کوانتومی دارد.

محققان در آزمایش خود از کیوبیت‌ها در پایین‌ترین حالت انرژی خود استفاده کردند. در دنیایی ساده‌تر، این کیوبیت‌ها دارای انرژی صفر خواهند بود، اما می‌دانیم که حتی خالی‌ترین مکان‌ها نیز به دلیل سوسو زدن‌های کوچک میدان‌های کوانتومی انرژی دارند.

اگر دو کیوبیت درهم‌ تنیده و سپس از هم جدا شوند، آنگاه حتی کوچکترین اقداماتی نیز حالت انرژی آنها را تغییر می‌دهد. به عنوان مثال، اگر اندازه گیری‌های حالت انرژی کیوبیت اول انجام شود، انرژی آن کمی افزایش می‌یابد که در کیوبیت درهم‌تنیده نیز منعکس می‌شود، اما این تغییر در کیوبیت دیگر قابل مشاهده نخواهد بود. با این حال اگر شخصی که اندازه‌گیری می‌کند، دقیقاً تعیین کند که کیوبیت‌ های درهم‌تنیده چقدر انرژی اضافی دارند، می‌توانند این انرژی را از کیوبیت درهم‌تنیده استخراج کنند و دو کیوبیت را به پایین‌ترین حالت انرژی خود برگردانند.

طبق تحقیقات کیس، این انرژی اضافی می‌تواند در کیوبیت دیگری برای استفاده در آینده ذخیره شود. محققان این رویکرد را با استفاده از شبیه‌سازی بر روی یک رایانه کوانتومی آزمایش کرده‌اند. می‌توان استدلال کرد که این بیشتر یک شبیه‌سازی است تا یک آزمایش واقعی، اما همچنین نزدیک‌ترین آزمایشی است که می‌توان در یک شبیه‌سازی انجام داد. کیس و تیمش می‌خواهند در مرحله بعد از این انرژی برای انجام واکنش‌های شیمیایی استفاده کنند و آن را به یک برنامه کاربردی در دنیای واقعی تبدیل کنند.

رایانه‌های کوانتومی بسیار حساس هستند؛ گرما، میدان‌های الکترومغناطیسی و برخورد با مولکول‌های هوا می‌تواند باعث شود که کیوبیت خواص کوانتومی خود را از دست بدهد. این فرآیند که به نام decoherence کوانتومی شناخته می‌شود، باعث از کار افتادن سیستم می شود و هر چه ذرات بیشتر درگیر شوند، سریعتر اتفاق می‌افتد کامپیوتر کوانتومی با جداسازی فیزیکی کیوبیت ها، خنک نگه داشتن آنها و یا به هم زدن آن با پالس‌های انرژی به دقت کنترل شده، محکوم به محافظت از کیوبیت ها در برابر تداخلات خارجی است.

همچنین بخوانید: مقام قهرمانی المپیاد جهانی نجوم و اختر فیزیک به ایران رسید فوری: دانشمندان سنگین ترین پادماده را کشف کردند، کشف ماده تاریک در گام بعدی حرکت حیرت‌انگیز مولکول های شیشه قوانین فیزیک را به چالش می‌کشد