همه آنچه میخواهید از کوانتوم بدانید

به گزارش جی پلاس، کوانتوم واژه لاتین برای «مقدار» است و در فهم مدرن به معنای کوچک ترین واحد مجزای ممکن هر خاصیت فیزیکی (مثلا انرژی و مواد) است. کوانتوم از سال 1900 مورد استفاده قرار گرفت، زمانی که فیزیکدانی به نام «ماکس پلانک» در یک معرفی به جامعه فیزیک آلمان از آن استفاده کرد. پلانک به علت تغییر رنگ تابشی از جسم گداخته از قرمز به نارنجی و در نهایت آبی بر اثر افزایش دما، به فیزیک کوانتوم پی برده بود. او با فرض موجود بودن تشعشع در واحدهای مجزا همانند آن‌چه درمورد مواد است (به‌جای نظریه پیشین موج الکترومغناطیسی ثابت) و از این رو قابل سنجش بودن آن، توانست به سوال خود پاسخ دهد. پلانک یک معادله ریاضی با شکلی که نشان‌دهنده واحدهای اختصاصی انرژی بود ارائه کرد. او این واحدها را «کوانتا» نامید. کوانتوم مکانیک شاخه‌ای از علم فیزیک است که دنیای ذرات بسیار کوچک را مورد بررسی قرار می‌دهد. این شاخه از فیزیک، نتایجی عجیب را در پی دارد که در دنیای واقعی قابل توجیه نیستند. در مقیاس الکترونی و اتمی، بسیاری از معادلات فیزیک کلاسیک که توصیف‌کننده نحوه حرکت اجسام هستند، نمی‌توانند فیزیک مسائل را توصیف کنند. در فیزیک کلاسیک، یک جسم در یک لحظه مشخص، در مکانی مشخص قرار می‌گیرد. این در حالی است که در کوانتوم مکانیک، الکترون‌ها در فضایی احتمالی قرار دارند. در حقیقت احتمال وجود آن‌‌ها در نقطه‌ A برابر با عددی مشخص بوده و در نقطه B این احتمال عددی متفاوت است.

ادعای گوگل به ساخت موفقیت‌آمیز یک رایانه کوانتومی
به‌تازگی (حدود سه ماه قبل) گوگل اعلام کرد که در پژوهش‌های رایانه‌ای به یک تحول عظیم دست یافته و با استفاده از رایانه کوانتومی توانسته یک معادله پیچیده را به سرعت حل کند. به گفته محققان پردازنده «سیکامور» ساخت گوگل، توانست فرایندی را که تکمیل آن برای سریع‌ترین ابرکامپیوترهای جهان 10 هزار سال وقت خواهد برد، در ۲۰۰ ثانیه انجام دهد. در کامپیوترهای کلاسیک هر واحد اطلاعات یا «بیت» دارای ارزش یک یا صفر است. اما معادل آن در یک سیستم کوانتومی، «کوانتوم بیت» یا «کوبیت» می‌تواند همزمان یک و صفر باشد. این پدیده راه را برای محاسبات متعدد در آن واحد باز می‌کند. جان مارتینیز و همکارانش از شرکت گوگل توضیح می‌‌دهند که وظیفه‌ای برای نمونه‌برداری تصادفی به این پردازنده محول کردند، به طوری‌که مجموعه‌ای از اعداد که واقعا توزیعی تصادفی داشته باشند تولید کند. آن‌ها می‌گویند سیکامور توانست این وظیفه را در سه دقیقه و ۲۰ ثانیه کامل کند، درحالی که به ادعای آن‌ها انجام این وظیفه توسط «سامیت»، بهترین ابررایانه جهان، ۱۰ هزار سال وقت خواهد برد.  با این حال هنوز چند دهه با ساخت کامپیوترهای کوانتومی که بتوانند مسائل مد نظر ما را حل کنند فاصله داریم.  مدیرعامل گوگل، این اختراع را با سفر اولین موشک فضاپیما به خارج از جو کره زمین مقایسه کرد که زمینه‌ساز سفرهای فضایی به سیارات دیگر شد: «برای کسانی مثل ما که در زمینه علوم و فناوری کار می‌کنند این لحظه «سلام به دنیا» است که در انتظار آن بوده‌ایم.»

سرعت و مسیر موج کوانتومی، خواص هر عنصری را تعیین می‌کند، از جمله این که رسانا هست یا نه. مثلا ما می‌توانیم سرعت و مسیر این موج را دور اتم سیلیسیوم (سیلیکون) اندکی دستکاری و با افزودن ناخالصی یا تحریک الکتریکی، سیلیسیوم را از نارسانا به رسانا یا برعکس تبدیل کنیم. این کار همان ساختن صفر و یک است که دنیای دیجیتال را بنا کرده است. ما به عنوان بشر امروز میلیاردها ترانزیستور در ابعاد نانومتر را کنار هم چیده‌ایم و لایه لایه روی هم گذاشته‌ایم تا پردازشگرها را بسازیم. از پرسرعت‌ترین ابرکامپیوترها، پیشرفته‌ترین اتومبیل‌ها و جدیدترین تلفن‌های همراه گرفته تا لامپ‌های کم مصرف و کنترل از راه دور تلویزیون و اسباب بازی‌های الکترونیکی همگی از ترانزیستور استفاده می‌کنند.

موقعیت‌یابی به کمک کوانتوم سیستم موقعیت‌یاب جهانی (GPS) هم به فیزیک کوانتومی محتاج است. ابزارهای مسیریابی این روزها در هر تلفن هوشمندی هست و ما روزانه برای یافتن آدرس از آن استفاده می‌کنیم. پشت پرده این ابزارها مجموعه‌ای از ماهواره‌ها و ساعت‌های اتمی قرار دارند که امکان موقعیت‌یابی را فراهم می‌آورند. برای این کار لازم است که مسیریاب ما از چند ماهواره موقعیت‌یاب، سیگنال دریافت کند. این سیگنال حاوی این اطلاعات است: موقعیت دقیق ماهواره در لحظه مخابره و زمان دقیق آن. با دانستن مدت زمان سفر سیگنال و سرعت آن که مساوی با سرعت نور است، فاصله ما از ماهواره معلوم می‌شود. ابزار موقعیت‌یاب، محاسبات هندسی را برای مجموعه ماهواره‌ها انجام می‌دهد و نقطه اشتراک آن‌ها را که موقعیت ماست اعلام می‌کند. البته به شرطی که همه این ساعت‌ها با هم کار کنند که البته همین‌طور هم هست، ساعت‌های داخل ماهواره‌ها با هم و با یک ساعت روی زمین همزمان شده‌اند. این ساعت‌ها باید بتوانند پیوسته و دقیق کار کنند؛ امکانی که ساعت اتمی فراهم کرده است. نحوه کار ساعت اتمی هم برگرفته از فیزیک کوانتومی است.

کارایی عجیب لیزر در هر لحظه میلیون‌ها نفر در دنیا از نرم افزارهایی برای فرستادن پیام به دوستان خود استفاده می‌کنند. زمانی که لازم است تا یک پیام متنی از گوشی شما به گوشی مخاطب‌تان برسد بسیار ناچیز است در حالی که مسیر دور و درازی را طی می‌کند، حتی اگر فرستنده و گیرنده در یک اتاق باشند: گوشی شما، مرکز مخابرات، مراکز اینترنتی واسطه در کشورهای همسایه، یکی از سرورهای نرم‌افزار در جاهای مختلف دنیا، برگشت به مسیر اینترنتی منتهی به مخاطب، مرکز مخابرات مخاطب و گوشی مخاطب. تمام این اطلاعات از راه شبکه‌های فیبر نوری رد و بدل می‌شود. فیبر نوری مثل کابل برق ولی برای انتقال سیگنال نور است. اما نور معمولی برای این کار مناسب نیست. نور معمولی یا نور سفید مجموعه‌ای از رنگ‌های (طول موج) گوناگون است؛ مثل نور خورشید که بعد از گذشتن از ذرات ریز باران تجزیه شده و به شکل رنگین کمان در می‌آید. طول موج‌های نور معمولی فازهای مختلف دارند بنابراین یکدیگر را تخریب می کنند و در فواصل طولانی تضعیف می‌شوند. این‌جا هم فیزیک کوانتومی به‌صورت لیزر به کمک ما آمده است. لیزر یعنی نور تک فامی که تنها یک طول موج دارد و می‌تواند سیگنال‌های پرتوان تولید کند. اساس کار لیزر «گسیل تحریکی» است؛ پدیده‌‍‌ای کوانتومی که در آن یک فوتون با طول موج مشخص با یک الکترون برانگیخته برخورد می‌کند و بر اثر این برخورد، الکترون از حالت برانگیخته خارج می‌شود که در نتیجه آن یک فوتون دیگر با خواص یکسان تشکیل می شود و به فوتون اول ملحق و به این ترتیب سیگنال تقویت می‌شود. اگر نگاهی به فهرست کاربردهای لیزر بیندازید، موارد آشنای دیگری هم پیدا می‌کنید: پرینتر لیزری، دستگاه سی‌دی خوان، بارکدخوان، دوربین‌های کنترل سرعت و...

کوانتوم در پزشکی ردپای کاربرد کوانتوم در پزشکی هم کم نیست؛ عمل جراحی لیزیک، MRI، پرتودرمانی و غیره. لیزر در درمان تومورهای سرطانی کاربرد وسیع دارد. در این روش ذرات باردار (یونیزه) مثل پروتون به سوی توده سرطانی فرستاده می‌شوند. ذره در نقطه هدف انرژی خود را آزاد می‌کند که باعث آسیب به DNA سلول سرطانی می‌شود و در نهایت آن را از بین می‌برد. این ذرات باردار در دستگاه‌های شتاب‌دهنده ایجاد می‌شوند و به اندازه‌ای که به دقت محاسبه شده به داخل بدن بیمار تابانده می‌شوند. فیزیکدانان مقدار انرژی لازم برای یونیزه کردن یک ذره را از روی تابع موج کوانتومی ذره محاسبه می‌کنند. اگرچه فیزیک کوانتومی شامل مفاهیم مجرد و معادلات ریاضی پیچیده است ولی کاربرد آن زندگی ما را تغییر داده است و امکانات جدیدی فراهم کرده که بدون شناخت رفتار کوانتومی انرژی و ماده شدنی نبود. دانشی که هنوز راه درازی برای گسترش دارد و باید به استفاده‌های بیشتر آن در آینده امیدوار بود.

کاربردهای علم کوانتوم در آینده‌ای نه چندان دور ساخت سمفونی شماره ۷ بتهوون، تلسکوپ هابل، درمان بیماری‌ها و... بخشی از شاهکارهای بشر هستند. اما بشر نمی‌تواند مثل گیاهان نور خورشید را بگیرد و آن را به غذا تبدیل کند. کاری که یک بوته خیار می‌تواند انجام دهد! باز هم ما از سازوکار فتوسنتز آگاه هستیم. اما هرگز نمی‌توانیم آن را مدل کنیم. کامپیوتر کوانتومی به ما اجازه می‌دهد که با مدل کردن فتوسنتز بتوانیم پنل‌هایی بسازیم که غذا تولید می‌کنند. تنها با استفاده از آب، هوا، عناصر موجود در خاک و نور خورشید. از طرفی می‌توانیم این فرایند را تسریع کنیم و در کمتر از ۱۰ ساعت یا حتی 10 دقیقه از هیچ به یک خیار برسیم! یکی از دستاوردهای علم کوانتوم، توانایی مدل‌سازی مغز انسان روی کامپیوتر است. موضوعی بسیار مهم‌تر از شبیه‌سازی یک خیار. به کمک این ابزار ما می‌توانیم احساسات و خاطرات خود را آپلود و دانلود کنیم. به‌این‌ترتیب ما با ذهن خود می‌توانیم با دیگران ارتباط برقرار کنیم. می‌توانیم از ذهن خود برای کنترل ماشین‌ها استفاده کنیم. اگر کسی دچار فراموشی شود، می‌تواند خاطره مدنظر را از فضای ابری دوباره دانلود کند. دیگر به خاطر سپردن اسامی و اعداد کار بی‌ارزشی می‌شود. مطالبی را که می‌آموزید در فضای ابری ذخیره می‌کنید و بعد می‌توانید آن را دوباره دانلود کنید. یا شاید بتوانید توانایی نواختن پیانو یا دانش کوانتوم را روی ذهن خود بارگذاری کنید. شاید باور نکنید. اما هم اینک توانسته‌اند این کار را با موش‌ها بکنند. یک موش معمای مارپیچ را حل می‌کند. خاطره آن روی مغز موشی دیگر بارگذاری می‌شود. موش دوم در تجربه اول خود، جواب معما را به یاد دارد! به‌این‌ترتیب در آینده به جای دانلود آهنگ جدید، توانایی نواختن آن را دانلود می‌کنید و به جای گوش دادن به آن، از نواختن اش لذت خواهید برد!