فيزيك كوانتوم و نسل بعدي رايانه ها
جايزه نوبل فيزيك 2012 به ديويد واينلند آمريكايي و سرژ هروش فرانسوي تعلق گرفت.حتما يك دو ماه گذشته اين خبر را خوانده ايد.اما دستاورد اين دو دانشمند چه بوده كه آنها را مستحق دريافت اين جايزه بزرگ و افتخار آفرين كرده بود.و اين دستاورد چه تاثيري بر زندگي روزمره ما خواهد داشت؟اين دانشمندان موفق به انجام آزمايشي شدند كه مي تواند زمينه ساخت رايانه هاي كوانتومي و ساعت هاي فوق العاده دقيق را فراهم كند.رايانه هاي كوانتومي نسل بعدي رايانه ها هستند.كه مي توانند مدت انجام محاسبات پيچيده را از چند ماه به چند ثانيه كاهش دهند.ساعت هاي نوري نسل بعد از ساعت هاي سزيمي هستند كه خطاي آنها فقط 5 ثانيه در 14 ميليارد سال است.
اين فناوري هاي حيرت انگيز 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 غير ممكن به نظر مي رسيد.چرا كه مشاهده يك ذره خاصيت كوانتومي آن را از بين مي برد.رفتار جهان در مقياس اتمي و زير اتمي.با آنچه ما به آن عادت كرده ايم بسيار متفاوت است.در جهان آشناي ما.هر جسم در يك زمان به خصوص و فقط در يك حالت وجود دارد.اگر اتومبيل شما در پاركينگ است.اطمينان داريد كه در هيچ جاي ديگري نيست.ولي يك الكترون مي تواند در يك زمان در بيش از يك نقطه وجود داشته باشد.اگر الكترون را به اتومبيل تشبيه كنيم.آزمايش واينلند و هروش ثابت مي كند طبق نظريه كوانتوم اتومبيل شما دقيقا در همان لحظه توقف در پاركينگ.در حال حركت در خيابان نيز هست.انيشتين اين نظريه را عجيب و ترسناك مي دانست.ولي آنچه براي دانشمندان قابل استناد است.فقط نتايج به دست آمده در آزمايشگاه هاست.وتا به امروز همه ي آزمايش ها صحت نظريه كوانتوم را تاييد كرده اند.اين نظريه اصل بنيادين تمدن مدرن است.ترانزيستور ها.اينترنت و ليزر نمونه هايي از فناوري جديد هستند.كه بر اساس قوانين مكانيك كوانتوم ساخته شده اند.نظريه كوانتوم از آزمايش هايي با دقت حيرت انگيز يك در يكصد ميليارد سر بلند بيرون آمده و لقب موفق ترين نظريه تاريخ علم را از آن خود كرده است.
طبق نظريه كوانتوم به محض اين كه مشاهده كننده اي با ذره اي وارد كنش متقابل شود و براي اندازه گيري وضع دقيق آن اقدام كند.ماده در يكي از حالت هاي خود ثابت مي شود.در واقع همين كه شخصي به شما اطلاع مي دهد كه اتومبيل شما را در خيابان ديده است.و شما براي اطمينان از گفته او به آن خيابان مي رويد.هيچ اثري از آن نمي يابيد و با اطمينان ادعا مي كنيد اتومبيل فقط در پاركينگ وجود دارد.ولي همه ي شواهد و مدارك خلاف ادعاي شما را اثبات مي كند.مثلا در همان زمان چند مامور پليس در چند شهر مختلف اتومبيل شما را جريمه كرده اند.اگر اين موضوع برايتان غير عادي و بيشتر شبيه داستان هاي خيالي است.به اين دليل است كه اجرام بزرگي مانند بدن ما تابع قوانين نيوتن هستند.كه براي جسم مكان منحصر به فردي در نظر مي گيرد.ولي علم به ما مي آموزد اعتبار بخشيدن به عادت هاي ذهني تا جايي معقول است كه با يافته هاي آزمايشگاهي و نظريات علمي در تناقص نباشد.در دنياي ذرات.قوانين فيزيك تا حدود زيادي باور هاي عادي مارا از ماهيت جهان هستي به چالش مي كشد.
نحوه انجام آزمايش
هروش و واينلند از دو روش متفاوت ولي مشابه براي انجام آزمايشات خود استفاده كردند.هروش در اين باره مي گويد:(من از اتم ها براي مطالعه فوتون ها استفاده مي كنم و واينلند از فوتون ها براي مطالعه اتم ها.) هروش در دستگاه ابداعي خود.دو آينه بسيار صيقلي را رو به روي يكديگر قرار داد و چند فوتون را ميان آن دو به نوسان واداشت.فوتون ها قبل از خارج شدن از دستگاه يا جذب شدن توسط محيط.به مدت0/1 ثانيه بين دو آينه در حركت بودند.
سپس اتم هاي ريدبرگ كه كنش متقابل بسيار زيادي با فوتون ها دارند و هزار مرتبه از اتم هاي عادي بزرگتر هستند به درون دستگاه هدايت شدند.با اندازه گيري تغيير ايجاد شده در طول موج اتم هاي ريدبرگ كه در اثر برخورد با فوتون ها ايجاد شده است مي توان مقدار انرژي و حالت كوانتومي فوتون هاي داخل دستگاه را اندازه گرفت.اتم هاي ريدبرگ را اتم هاي جاسوس نيز مي نامند زيرا بدون اينكه حضور ما احساس شود اطلاعات فوتون هاي داخل دستگاه را برايمان جمع آوري مي كنند.در شرايط معمولي مشاهده رفتار فوتون ها ممكن نيست چون مشاهده يعني جذب آنها توسط شبكيه چشم يا لنز دوربين.
رايانه كوانتومي
احتمالا اولين دستاورد علمي اين موفقيت.پيشرفت رايانه هاي كوانتومي خواهد بود.اساس كار رايانه هاي امروزي بر ترانزيستور هاي سيليكوني بنا شده است ولي دانشمندان تقريبا به حد نهايي ظرفيت ترانزيستور ها نزديك شده اند و روند ساخت رايانه هاي پر قدرت هر روز كندتر مي شود.قانون مور كه بيان مي كند قدرت رايانه ها هر 18 ماه يك بار دو برابر مي شود در حال فرو پاشي است.محققان با كشف قابليت هاي كوانتومي ذرات به فكر استفاده از ذرات به جاي ريز تراشه هاي سيليكوني افتادند.حافظه رايانه هاي معمولي از بيت هايي ساخته شده كه به صورت صفر و يك عمل مي كند.در يك لحظه بخصوص آنها يا در حالت صفر هستند يا در حالت يك.در يك رايانه فرضي با 4 بيت حافظه.رايانه مي تواند 16 حالت ممكن داشته باشد.ولي در يك لحظه فقط مي تواند در يكي از اين حالت ها قرار بگيرد چرا كه براي تغيير صفر يا بالعكس و عبور به وضع بعدي به زمان نياز داريم ولي طبق نظريه كوانتوم ذراتي مانند اتم ها مي توانند در آن واحد در بيش از يك حالت وجود داشته باشند.بنابراين در رايانه هاي كوانتومي يك بيت كه كيوبيت ناميده مي شود مي تواند همزمان هم صفر و هم يك باشد.
به عبارت ديگر يك رايانه 4 بيتي مي تواند به طور همزمان در 16 وضع ممكن محاسبات را انجام دهد و فقط وقتي انسان تصميم به خواندن نتيجه محاسبات مي گيرد در يك وضع از وضع هاي ممكن قرار گيرد و نتيجه محاسبات موازي را در اختيار او مي گذارد.با استفاده از اين روش.محاسبات عملا روي اتم ها انجام مي گيرد.اگر اين رايانه ها ساخته شوند شكستن پيچيده ترين كد هاي امنيتي كه با رايانه هاي معمولي هزاران سال به طول مي انجامد.تنها مدت چند ساعت تا چند ماه امكان پذير است.محققان موفق به ساخت نمونه هاي ابتدايي اين نوع رايانه شده و توانسته اند محاسباتي مانند 5 ضربدر 3 =15 را به وسيله آن انجام دهند!
بزرگترين مانع بر سر راه اين رايانه ها شيوه نزديك شدن به ذرات و كاركردن با آنها بدون از بين بردن حالت كوانتومي آنهاست كه هروش و واينلند با ايده ذرات جاسوس اين مشكل را تا حدود زيادي حل كرده اند.البته مشكل ديگري هم وجود دارد و آن ايجاد خلا كامل براي ذرات محاسبه گر است.
برخورد حتي يك ذره مانند ذره اي كه از يك توفان خورشيدي يا انفجار ابرنواختري دور دست به كره زمين رسيده است.حالت كوانتومي ذرات را از بين مي برد.براي ساخت يك رايانه كوانتومي با قدرت يك لپ تاپ 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 اتم ها.رايانه را از كار خواهد انداخت.اگر اين موانع برطرف شود تحولي كه رايانه هاي كوانتومي در زندگي بشر ايجاد مي كنند.درست مانند تحولي است كه ظهور رايانه در زندگي بشر به وجود آورد.
ساعت فوق دقيق
ساخت ساعت هاي نوري فوق العاده دقيق از ديگر دستاورد هاي اين آزمايش است.دقت ساعت هاي نوري كه بر پايه ي حركت ذرات در مقياس كوانتومي ساخته مي شوند.باور نكردني است.اگر يكي از اين ساعت ها را در لحظه آغاز جهان تنظيم كرده باشيد.تا به امروز در بد ترين حالت.كمتر از 5 ثانيه خطا داشته است.
با توجه به اين كه عالم هستي در لحظه پيدايش.از يك الكترون هم كوچكتر بوده است به نظر نمي رسد وجود چنين تفاوت بزرگي ميان قوانين حاكم بر ذرات و اجرام بزرگ واقعي باشد.يافتن يك نظريه جامع و يك پارچه كه بتواند قوانين كوانتوم و نسبيت اينيشتين را پيوند دهد و پرده از راز تبديل يك ذره زير اتمي به دنياي شگفت انگيز ما بر دارد. بزرگ ترين رؤياي فيزيك دانان است. كاري كه اينيشتين آن را <<خواندن ذهن خداوند>> مي دانست.