آیا می توانیم یک ساعت کوانتومی بسازیم که کاملاً کوانتومی باشد؟
ساعت ها می توانند به روز رسانی کمی دریافت کنند اعتبار: سهام با کیفیت / عکس سهام آلامی
در زیر گزیده ای از خبرنامه ما در فضا-زمان گم شده است. هر ماه، ما صفحه‌کلید را به یکی دو فیزیکدان می‌سپاریم تا ایده‌های عالی را از گوشه جهان به شما بگویند. در اینجا در Lost in Space-Time مشترک شوید.
ساعت‌ها زندگی ما را تنظیم می‌کنند، زمان خواب و بیدار شدن ما را دیکته می‌کنند و اینکه آیا پروازهایمان را به خانه برمی‌گردانیم یا خیر و چه کسی در وال استریت ثروتمند است. و همانطور که ساعت ها ما را کنترل می کنند، دستگاه های کوانتومی را نیز کنترل می کنند.
کامپیوترهای کوانتومی را در نظر بگیرید. یکی از بخش‌های اساسی انجام هر محاسبه، انجام وظایف خاص در زمان‌های خاص است. سیستم‌های کنترل خارجی کلاسیک زمان را برای رایانه‌های کوانتومی امروزی نگه می‌دارند، اما یک سیستم کنترلی که می‌تواند به طور کامل در دنیای کوانتومی کار کند، فرصت‌های جدیدی را به وجود می‌آورد. با آزاد کردن تصورات خود، ممکن است پهپادهای کمی را تصور کنیم که می توانند مولکول ها را به هم بزنند یا تحویل دهند. چنین ماشین‌های مستقلی باید ساعت‌های خود را حمل کنند و آن ساعت‌ها نیز باید کوانتومی باشند تا از از دست دادن شخصیت کوانتومی ماشین‌ها جلوگیری کنند. به عنوان مثال، فناوری های کوانتومی از درهم تنیدگی، همبستگی های قوی که ذرات کوانتومی را همگام می کند، بهره می برند. هر چه یک پهپاد کوانتومی با دستگاه های معمولی تعامل بیشتری داشته باشد، درهم تنیدگی آن بیشتر از بین می رود.
سوال این است که آیا می توانیم چنین ساعت کوانتومی بسازیم که این کار را انجام دهد؟
قبل از اینکه به موضوع بپردازیم، باید روشن کنم که یک ساعت کوانتومی مستقل با ساعت‌های به اصطلاح اتمی که می‌توانید در فروشگاه‌ها بخرید یکسان نیست. پدربزرگ و مادربزرگ من چنین «ساعت اتمی» را خریدند و در آشپزخانه‌شان آویزان کردند، اما به‌طور دقیق‌تر می‌توان آنها را «ساعت کنترل‌شده رادیویی» نامید. این ساعت هر روز سیگنال‌های رادیویی را از پایگاه ملی استاندارد و فناوری کلرادو (NIST) دریافت می‌کرد و آنها را با ساعتی با دقت بالا که توسط مؤسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) اداره می‌شد، هماهنگ می‌کرد.
ساعت موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) یک ساعت اتمی واقعی بود – یک ساعت کوانتومی، اما یک ساعت کنترلی که دستگاه کنترل آن به طور کامل در دنیای کوانتومی وجود نداشت. یک ساعت اتمی حاوی اتم‌هایی است که می‌توانند فقط مقادیر معینی انرژی را در بسته‌های جداگانه جذب کنند – مانند کسی که می‌تواند یک بسته چیپس سیب‌زمینی بخورد اما نصف بسته را نخورد. لیزر به اتم ها می تابد و کنترل کننده خارجی تعداد اتم هایی را که به اصطلاح پرتوهای واضح لیزر را خورده اند اندازه گیری می کند. اگر اتم های زیادی داشته باشد، نور لیزر از ذرات با مقدار مناسب انرژی تشکیل شده است – کمیتی که می تواند با استفاده از نظریه کوانتومی محاسبه شود. نور علاوه بر اینکه از ذرات تشکیل شده است، خواص موج مانندی نیز دارد و بنابراین به سمت بالا و پایین نوسان می کند. زمان بین نوسانات کسری از ثانیه است که بر حسب انرژی قابل جذب اتم ها تعیین می شود. بنابراین ما ثانیه ها را با انتظار برای نوسان نور لیزر به تعداد معینی اندازه گیری می کنیم. کنترل کننده ای که انرژی اتم ها را اندازه گیری می کند کمی نیست، بنابراین ساعت اتمی تنها ساعتی نیست که برای پیری بخار کوانتومی به آن نیاز خواهیم داشت.
ولفگانگ پائولی، پیشگام فیزیک کوانتومی، در دهه 1920 زمانی را صرف تفکر در مورد ساعت های کوانتومی و بسیاری چیزهای دیگر کرد. علایق پائولی از فیزیک کوانتوم گرفته تا روانشناسی و فلسفه را در بر می گرفت و نام او اکنون با اصل طرد پائولی مرتبط است که بر نحوه سازماندهی الکترون ها در اتم ها حاکم است. او بر مفاهیم ساده اما ضروری تمرکز کرد – و چه زمانی، اگر ضروری نباشد؟
پاولی خاطرنشان کرد که یک ساعت کوانتومی ایده آل دارای زمان “مشاهده پذیر” است. قابل مشاهده نام فیزیکی یک ویژگی قابل اندازه گیری یک سیستم کوانتومی است. نمونه هایی از مشاهدات شامل انرژی، موقعیت و تکانه است. زمان ایده آلی که می توان در یک ساعت کوانتومی مشاهده کرد، مقدار کاملاً مشخصی دارد. چگونه می توان آن را مشاهده کرد نه ارزش مشخصی دارد؟ به هر حال، شما انرژی، موقعیت و حرکت کاملاً مشخصی دارید. اما موقعیت کوانتومی و تکانه یک رابطه عدم قطعیت مشترک دارند. اگر یک ذره کوانتومی موقعیت کاملاً مشخصی داشته باشد، آن ذره تکانه مشخصی ندارد. در زبان کوانتومی، یک ذره در برهم نهی تمام لحظات ممکن است. اگر تکانه را اندازه گیری کنید، آشکارساز می تواند هر عدد مثبت، هر عدد منفی یا صفر را بخواند. مشابه موقعیت ذره ای کاملاً تعریف شده، زمان ایده آل برای یک ساعت کوانتومی به خوبی تعریف شده است. ساعت چندین بار با هم همپوشانی نخواهد داشت.
اما زمان و انرژی به طور مشابه موقعیت و حرکت در رابطه عدم قطعیت دخیل هستند. بنابراین یک سیستم کوانتومی زمانی به خوبی تعریف شده در برهم نهی تمام انرژی های ممکن است. علاوه بر این، روکش گسترش خواهد یافت به همان اندازه در سراسر انرژی های ممکن: اگر انرژی یک ساعت را اندازه گیری کنید، احتمال شما برای به دست آوردن یک نتیجه ممکن برابر با احتمال به دست آوردن هر نتیجه ممکن دیگری است.
انرژی منفی نامحدود
پائولی از نظر ریاضی ثابت کرد که هیچ سیستم کوانتومی نمی تواند زمان قابل مشاهده داشته باشد. اگر چنین باشد، سیستم می تواند حاوی مقدار نامحدود انرژی منفی باشد. داشتن مقدار نامحدود انرژی منفی در دنیای ما غیرممکن است. بنابراین، طبق مکانیک کوانتومی، جهان ما زمان قابل مشاهده – یا ساعت‌های کوانتومی کامل را در خود جای نمی‌دهد.
خوشبختانه، ما به یک ساعت کوانتومی کامل نیاز نداریم – یک ساعت کوانتومی خوب می تواند به اندازه کافی خوب باشد. دقیقاً ترسیم یک شکل دایره ای روی یک تکه کاغذ چگونه می تواند یک دایره را تقریب کند، بنابراین یک ساعت کوانتومی می تواند تقریباً شکل کامل را تقریب کند. سه نفر از همکاران من – جاناتان اوپنهایم، میشا وودز و رالف سیلوا – موفق به طراحی چنین ساعت کوانتومی شده اند.
همانطور که جاناتان و میشا وقتی در یک بهار در لندن از آنها دیدن کردم، برای من توضیح دادند، ساعت نظری آنها به حالت زمانی کامل نزدیک است، و برهم نهی به طور یکنواخت در تمام انرژی ها پخش شده است. پوشش آنها به طور ناموزون در یک الگوی مشخص پخش می شود: اگر قدرت ساعت را اندازه گیری کنید، احتمال بیشتری دارد که نتایجی نسبت به سایرین بدست آورید. بنابراین قدرت ساعت هنوز نامشخص است، اما خیلی قطعی نیست. بنابراین ساعت مانند پائولی قوانین فیزیک را زیر پا نمی گذارد.
علاوه بر این، ساعت نسبتاً پایدار است. خواندن یک ساعت کوانتومی با خواندن یک ساعت کلاسیک یکسان نیست. عمل استفاده از آن برای تعیین زمان منجر به یک پدیده کوانتومی غیرشهودی می شود: اغتشاش اندازه گیری. شما می‌توانید ساعت روزانه را بدون تأثیر بر زمان گزارش کنترل کنید، همانطور که یک افسر پلیس می‌تواند سرعت خودروی شما را بدون توجه به شما ثبت کند (از این رو وجود تخلفات سرعت غیرمجاز). اما سیستم‌های کوانتومی نسبت به سیستم‌های روزمره حساس‌تر هستند. اگر یک سیستم کوانتومی را اندازه گیری می کنید – یا به روش دیگری با آن تعامل دارید – آن را مختل می کنید و حالت آن را تغییر می دهید. اگر قدرت سیستم را اندازه گیری کنید، احتمالاً قدرت آن را تغییر خواهید داد.
خواندن زمان خارج از یک ساعت کوانتومی، اگر ساعت کامل باشد، در زمان‌سنجی اختلال ایجاد نمی‌کند. اما یک ساعت ناقص ممکن است با استفاده بدتر شود و توانایی ما در تشخیص لحظات را کاهش دهد. همچنین می‌توانید با عینک‌های تار به ساعت پدربزرگ خیره شوید: ساعت 6 صبح به 5.59 و 6.01 و سپس به 5.58 و 6.02 ادغام می‌شود. آشفتگی ها همچنین مانع از توانایی ساعت برای شروع عملیات، مانند دروازه های منطقی در حساب، در زمان های دلخواه می شود.
ساعت میشا، رالف و جاناتان چقدر می‌توانست چنین تلاطمی را تحمل کند؟ خیلی بد نیست، شاید بگویید، اگر به همشهریان بریتانیایی من انعام بدهید. تصور کنید که ساعت در حال رشد است – ذراتی را به آن اضافه می کنیم، حتی اگر تعداد آنها به قدری نباشد که ساعت ماهیت کوانتومی خود را از دست بدهد. هرچه ساعت بزرگتر باشد، انعطاف پذیرتر است. و کمی دادن به شما چیزهای زیادی می دهد: با رشد ساعت، انعطاف پذیری آن به طور تصاعدی افزایش می یابد.
تاکنون، این ویژگی‌ها هنوز تئوری هستند و دانشمندان برای ساخت رایانه‌های کوانتومی کنترل‌شده خارجی، بدون در نظر گرفتن رایانه‌های مستقل، تحت فشار شدیدی هستند. اما تسلط آزمایش‌ها بر روی سیستم‌های کوانتومی در سه دهه گذشته به سرعت پیشرفت کرده است و هیچ نشانه‌ای از کاهش سرعت را نشان نداده است. آیا ساعت‌های خودمختار رایانه‌های کوانتومی و سایر ماشین‌ها را قادر می‌سازند تا به طور مستقل کار کنند؟ این که آیا اندازه گیری بر روی یک ساعت کوانتومی انجام می شود یا یک ساعت شبانه روزی، زمان مشخص خواهد کرد.
نیکول یونگر هالپرن، یک گروه تحقیقاتی را اداره می کند که مسلماً بهترین نام در جهان است: آزمایشگاه کوانتوم استیمپانک. کار او شامل بازبینی ترمودینامیک عصر کوانتومی است. فیزیک موتورهای بخار و ماشین‌های صنعتی حدود یک قرن قبل از متبلور شدن نظریه کوانتومی در دهه 1920 تنظیم شد – و تقریباً دو قرن قبل از اینکه استارت‌آپ‌های فناوری شروع به استفاده از فیزیک کوانتومی برای ساخت رایانه‌ها و حسگرها کنند – بنابراین او و تیمش معتقدند که ترمودینامیک اکنون به دلیل مدرنیزاسیون . .
