زهرا وجدانی: علم فیزیک از دیرباز تلاش کرده است تا قوانین حاکم بر جهان هستی را در قالب اصولی ثابت و قابل پیش‌بینی تبیین کند. اما با پیشرفت ابزار‌های مشاهده و توانایی نفوذ به عمق ذرات زیراتمی، بشر به قلمرویی قدم نهاد که قواعد آن کاملاً متفاوت با دنیای مرئی و قابل فهمیدن ماست. در این قلمرو، دیگر نمی‌توان به قطعیت از مکان، زمان یا حالت اشیاء سخن او گفت.

این حوزه، قلمرو فیزیک کوانتومی است؛ جایی که «برهم‌نهی کوانتومی» یکی از بنیادی‌ترین و شگفت‌انگیزترین مفاهیم آن به حساب می اید. این اتفاق نه‌تنها چالش‌های نظری مهمی را برای دانشمندان تشکیل کرده، بلکه امروزه به ستون فقرات فناوری‌هایی همچون رایانش کوانتومی بدل شده است.

فیزیک کوانتومی؛ دگرگونی در نگاه به طبیعت

فیزیک کوانتومی شاخه‌ای از علم فیزیک است که به مطالعه حرکت و ویژگی‌های ذرات زیاد ریز، همانند الکترون‌ها، فوتون‌ها، کوارک‌ها و اتم‌ها می‌پردازد. برخلاف دنیای ماکروسکوپی که در آن قوانین فیزیک کلاسیک نیوتنی به‌طور مؤثر عمل می‌کند، در دنیای میکروسکوپی، این قوانین کارایی خود را از دست داده و جای خود را به قوانینی خواهند داد که غیرمستقیم، احتمالی و حتی در نگاه اول غیرمنطقی به نظر می‌رسند.

برهم‌نهی کوانتومی چیست؟

در فیزیک کلاسیک، یک سیستم فیزیکی تنها می‌تواند در یک حالت اشکار در یک لحظه معین قرار گیرد. اما در فیزیک کوانتومی، اصل برهم‌نهی گفتن می‌کند که یک ذره‌ی کوانتومی می‌تواند به‌طور هم‌زمان در چندین حالت متفاوت قرار داشته باشد. این حالت تا وقتی ادامه دارد که ذره مورد مشاهده یا اندازه‌گیری قرار نگرفته باشد. بعد از مشاهده، سیستم به‌طور ناگهانی به یکی از این حالت‌ها فرو می‌پاشد؛ فرآیندی که «فروریزش تابع موج» (Wavefunction Collapse) نامیده می‌شود.

به‌گفتن مثال، الکترونی که از یک دروازه کوانتومی عبور می‌کند، می‌تواند هم‌زمان در مسیر چپ و راست قرار داشته باشد؛ اتفاق‌ای که در آزمایش معروف «دو شکاف» به‌وضوح مشاهده شده است.

تابع موج؛ زبان احتمالات در فیزیک کوانتومی

حالت‌های گوناگون یک ذره کوانتومی با تابعی به‌نام «تابع موج» (Wave Function) توصیف می‌شود. این تابع، اطلاعات کاملی درمورد‌ی گمان وجود ذره در مکان‌ها یا حالت‌های گوناگون اراعه می‌دهد. برخلاف توصیف قطعی در فیزیک کلاسیک، تابع موج تنها به‌صورت آماری و با گمان معین، وجود یا ویژگی‌های ذره را اشکار می‌کند. تا وقتی که اندازه‌گیری صورت نگرفته باشد، تابع موج هم چنان ترکیبی از همه حالت‌های ممکن باقی می‌ماند؛ وضعیتی که با کلمه «برهم‌نهی» شناخته می‌شود.

اندیشه‌ورزی گربه شرودینگر؛ تصویری ملموس از یک حقیقت شگفت

یکی از شناخته‌شده‌ترین کوششها برای تبیین این اتفاق، اندیشه‌ورزی مشهور «گربه شرودینگر» است که در سال ۱۹۳۵ توسط فیزیک‌دان اتریشی، اروین شرودینگر، نقل شد. در این آزمایش ذهنی، گربه‌ای داخل جعبه‌ای مهر و موم‌شده قرار می‌گیرد. درون این جعبه، یک ذره‌ی رادیواکتیو، یک شمارنده گایگر، یک شیشه سم و یک چکش تعبیه شده‌اند. در صورتی که ذره دچار واپاشی شود، شمارنده آن را ثبت می‌کند، چکش فعال می‌شود و شیشه سم را می‌شکند؛ در نتیجه گربه می‌میرد. اما اگر واپاشی صورت نگیرد، گربه زنده می‌ماند.

از منظر فیزیک کوانتومی، تا وقتی که جعبه باز نشده و حالت گربه مشاهده نشده باشد، گربه هم‌زمان در حالت زنده و مرده قرار دارد؛ یعنی در حالت برهم‌نهی. مشاهده حالت گربه علتمی‌شود یکی از این دو حالت تثبیت شود.

کاربرد برهم‌نهی در فناوری؛ از نظریه تا عمل

یکی از با اهمیت ترین کاربرد‌های عملی مفهوم برهم‌نهی کوانتومی، در حوزه‌ی رایانش کوانتومی نمایان شده است. برخلاف بیت‌های کلاسیک که تنها می‌توانند مقدار صفر یا یک داشته باشند، بیت‌های کوانتومی یا «کیوبیت‌ها» می‌توانند در حالت صفر، یک، یا هر ترکیبی از این دو به‌طور هم‌زمان قرار داشته باشند. این ویژگی علتمی‌شود رایانه‌های کوانتومی توانایی بی‌نظیری در پردازش هم‌زمان اطلاعات داشته باشند.

رایانش کوانتومی؛ آینده‌ای با قوت بی‌نظیر پردازشی

در رایانه‌های کلاسیک، محاسبات بر پایه توالی صفر و یک انجام می‌شود. هر بیت تنها می‌تواند یکی از این دو حالت را در هر لحظه بپذیرد. اما در رایانه‌های کوانتومی، هر کیوبیت می‌تواند حالت صفر و یک را به‌صورت هم‌زمان داشته باشد. این به‌معنی توانایی محاسبه‌ی هم‌زمان چندین مسیر ممکن و افت چشم‌گیر زمان پردازش مسائل پیچیده است.

برای مثال، اگر یک رایانه‌ی کلاسیک برای بازدید ۲ ⁿ حالت نیاز به n عملیات متوالی داشته باشد، رایانه‌ی کوانتومی می‌تواند همه این حالات را به‌صورت هم‌زمان بازدید کند. این ویژگی، رایانش کوانتومی را به ابزاری انقلابی در حل مسائلی همانند فاکتورگیری اعداد بزرگ، همانند‌سازی عکس العمل‌های شیمیایی پیچیده، بهینه‌سازی سامانه‌های اقتصادی و رمزنگاری اطلاعات بدل کرده است.

شرکت‌های پیشگام در گسترش رایانش کوانتومی

در سال‌های تازه، شرکت‌های بزرگی همانند IBM، Google، Intel و D-Wave اندوخته‌گذاری‌های گسترده‌ای در حوزه رایانش کوانتومی انجام داده‌اند. شرکت گوگل در سال ۲۰۱۹ ادعا کرد که برای اولین‌بار به «برتری کوانتومی» دست یافته است؛ یعنی اجرای یک محاسبه توسط رایانه‌ی کوانتومی‌اش که در حالت عادی سال‌ها طول می‌کشید، اما با منفعت گیری از رایانه کوانتومی تنها در چند دقیقه انجام شد.

چالش‌ها و محدودیت‌های جاری

با وجود پیشرفت‌های چشم‌گیر، رایانش کوانتومی هم چنان با چالش‌های فنی و نظری بسیاری روبه‌روست. نگه داری پایداری کیوبیت‌ها (اتفاق‌ی «افت همدوسی»)، کنترل دقیق حالت‌های کوانتومی، اشتباه‌های ناشی از نویز‌های محیطی، و نیاز به دمای زیاد پایین (در حد صفر مطلق) از جمله مشکلات عمده‌ای می باشند که مانع از تجاری‌سازی گسترده این فناوری شده‌اند.

پیامد‌های فلسفی برهم‌نهی کوانتومی

اتفاق برهم‌نهی کوانتومی نه‌تنها فیزیک‌دانان، بلکه فیلسوفان علم را نیز با سوال‌های بنیادین روبه رو کرده است. آیا حقیقت جدا گانه از مشاهده‌گر وجود دارد؟ اگر حالت یک ذره تنها زمان مشاهده تثبیت می‌شود، نقش آگاهی انسان در این فرآیند چیست؟ آیا جهان ما از بی‌نهایت حالت‌های احتمالی راه اندازی شده که تنها با مداخله‌ی ناظر به حقیقت بدل خواهد شد؟ این سوال‌ها تا این مدت پاسخی قطعی نیافته‌اند و در قلب مناظرات بین فیزیک‌دانان کوانتومی و فیلسوفان علم جای دارند.

اتفاق برهم‌نهی کوانتومی، در عین حال که بنیادی‌ترین مفاهیم فیزیک کلاسیک را به چالش می‌کشد، در عمل نیز دریچه‌ای به‌سوی فناوری‌هایی گشوده که می‌توانند جهان ما را دگرگون سازند. رایانش کوانتومی تنها یکی از نمود‌های عملی این مفهوم است که می‌تواند انقلابی در علوم محاسباتی، پزشکی، رمزنگاری، هوش مصنوعی و حتی فهمیدن ما از هستی تشکیل کند.

اگرچه تا این مدت راه درازی برای تجاری‌سازی و منفعت گیری گسترده از رایانه‌های کوانتومی در پیش است، اما فهمیدن هرچه دقیق‌تر مفاهیمی همانند برهم‌نهی، نه‌تنها شناخت علمی ما را تعمیق می‌بخشد، بلکه می‌تواند ما را برای روبه رو با آینده‌ای آماده کند که علم و فناوری در آن بیشتر از هر زمان فرد دیگر با فلسفه و تفکر انسانی درهم‌تنیده‌اند.

انتهای مطلب/