مسیر اینترنت کوانتومی هموار می شود

تحقیقات اخیر دانشمندان را یک قدم به ساختن شبکه ای که بتواند اطلاعات را به شکل قابل اتکا و کاملا امن در طول فواصل بلند ارسال کند نزدیک تر کرد.

استفن ریتر و همکارانش در موسسه اپتیک کوانتومی مکس‎پلانک در گارچینگ آلمان یک شبکه ابتدایی بین دو نقطه راه اندازی کرده اند. آن ها معتقدند که این دلیلی برای اثبات ایده شان است و می تواند روزی گسترش یافته و برای ایجاد شبکه های اطلاعاتی کوانتومی در مقیاس بزرگ به کار رود. این شبکه امنیت ارسال پیام را از طریق رمزنگاری با استفاده از حالت کوانتومی فوتون ها تامین می کنند.

ریتر در مورد این نوع شبکه ها توضیح می دهد: «این امید وجود دارد که اینترنت کوانتومی تبادل اطلاعات کوانتومی را در مقیاس جهانی مشابه حالتی که امروزه در مورد اطلاعات سنتی وجود دارد میسر سازد».

شبکه اطلاعاتی کوانتومی از نظر علمی بسیار مورد توجه است چرا که مستعد استراق سمع نیست. رمز نگاری کوانتومی، که نخستین بار در سال ۱۹۸۴ توسط چارلز بنت از IBM و گیلز برسارد از دانشگاه مونترآل معرفی شده است و مبتنی بر ارسال اطلاعات کد شده با حالت کوانتومی فوتون هاست، به عقیده ی بسیاری غیر قابل شکستن است.

طبق یک قانون اساسی مکانیک کوانتومی وقتی یک سیستم کوانتومی مورد اندازه گیری قرار می گیرد، طبیعتش دستخوش تغییر می شود. به همین خاطر اطلاعاتی که با خواص کوانتومی ذرات –نظیر قطبش فوتون ها- کد شده اند ارتباط امن بین دو نقطه را امکان‌پذیر می‌سازد. هر گونه استراق سمعی لزوما خواص کوانتومی را به شکل محسوسی تغییر می دهد.

شبکه های اطلاعت کوانتومی اولیه قبلا ساخته شده اند. حداقل ۳ شرکت در حال حاضر دارای دستگاه های اطلاعاتی کوانتومی در بازار هستند. در سال ۲۰۰۸ نیز شهر وین اقدام به نصب یک شبکه ی اطلاعات کوانتومی کرد که توسط اتحادیه ی اروپا حمایت می شد. اما در این شبکه ها برخی نقطه ها تنها به عنوان فرستنده ی اطلاعات هستند و برخی دیگر تنها گیرنده.

ریتر و همکارانش نقاط همه منظوره ای ساخته اند که قادر به دریافت، ذخیره سازی و ارسال اطلاعات کوانتومی هستند. آن ها این نقاط را در یک شبکه ی اطلاعات کوانتومی اولیه با استفاده از اتم های روبیدیوم که کمابیش به صورت دائمی در حفره های نوری محصور شده اند ساختند. (حفره های نوری تله های اتمی هستند که در دماهای بسیار پایین که در آن لیزرها برای شکل دهی به اتم ها مورد استفاده قرار می گیرند ساخته می شوند) در این سیستم اطلاعات کوانتومی اتم های روبیدیوم به صورت قطبش فوتون ها کد شده و سپس فوتون ها به عنوان حامل های اطلاعات مورد استفاده قرار گرفتند.

ریتر معتقد است که اتم ها تنهای روبیدیوم حافظه های کوانتومی خوبی هستند و فوتون های منفرد نیز برای انتقال اطلاعات ایده آل می باشند. دو نقطه ی مورد آزمایش ۲۱ متر از هم فاصله داشتند و البته اتصال فیبر نوری بین آن ها بیش از ۶۰ متر طول داشت.

ریتر توضیح می دهد که: «کار بسیار دشوار بود چون اطلاعات کوانتومی بسیار شکننده هستند و برای جلوگیری از تغییر و یا حتی از دست رفتن اطلاعات نیاز به کنترل کامل بر روی تمام اجزای شبکه ی کوانتومی داشتیم.» او اضافه می کند که همکارش گرهارد رمپه ده سال گذشته را صرف توسعه و بهبود سیستم های حفره ای تک اتمی برای ایجاد یک رابطه ی دوطرفه بین ماده و نور کرده است که در نهایت این نمایش اولیه از یک شبکه ی کوانتومی را امکان پذیر ساخته است.

ریتر می گوید که تیمش برای ارتقای تک تک بخش های این سیستم ابتدایی استراتژی خاصی دارد. یک مسیر بدیهی برای بهبود سیستم می تواند گسترش آن باشد به نحوی که از شبکه های دو نقطه ای فراتر رفته و معماری شبکه های پیچیده تر را نیز تحقق بخشد. هدف بلند مدت دیگر گروه نیز ساخت تکرار کننده های کوانتومی مبتنی بر سیستم های حفره ه ای تک اتمی است که ارتباطات کوانتومی در طول مسافت های بلند را مقدور می سازد.

منبع

چاق‌ترین گربه شرودینگر پیدا شد

دانش های بنیادی - با آزمایش‌های جدید، حوزه نفوذ مکانیک کوانتوم به مولکول‌های خیلی بزرگ هم کشیده شده و مولکول‌های بزرگ هم می‌توانند دوگانگی موج- ذره‌ای نظریه کوانتوم یا همان آزمایش فرضی گربه شرودینگر را نشان دهند.

مجید جویا: پژوهشگران در اتریش چیزی را ساخته‌اند که خود به آن «چاق‌ترین گربه شرودینگر دیده شده تاکنون» می‌گویند. آنها سوپرپوزیشن کوانتومی (که در آن، یک ذره می‌تواند در آن واحد، در دو حالت قرار داشته باشد) را برای مولکول‌هایی به نمایش گذاشتند که هر یک از 430 اتم تشکیل شده بودند؛ یعنی چندین برابر بزرگ‌تر از مولکول‌های مورد استفاده در آزمایش‌های قبلی.

به گزارش نیچر، در آزمایش ذهنی مشهوری که در سال 1935 توسط اروین شرودینگر ترتیب داده شده بود تا پارادوکس‌های ظاهری نظریه کوانتوم را توضیح دهد، بسته به وضعیت اتم (قوانین کوانتوم وضعیت اتم را مشخص می‌کنند)، یک گربه می‌توانست، همزمان هم مسموم شده باشد و هم نشده باشد. از آنجا که نظریه کوانتوم الزام می‌داشت که این قوانین، سوپرپوزیشن را ممکن سازند، به نظر می‌رسید که گربه شرودینگر می‌توانست همزمان در ترکیبی از دو حالت «زنده» و «مرده»، وجود داشته باشد.

این پارادوکس، این سوال را به ذهن متبادر ساخت که چگونه و در چه زمانی، قوانین دنیای کوانتوم (که در آنها چیزهایی مانند اتم‌ها می‌توانند در آن واحد در چندین وضعیت وجود داشته باشند) با مکانیک کلاسیک جایگزین می‌شوند که دنیای ماکروسکوپی تجربیات هر روزه ما را مدیریت می‌کنند، دنیایی که در آن هر چیزی تنها یک وضعیت دارد و نمی‌تواند در آن واحد در دو حالت متفاوت قرار داشته باشد. به این حالت، گذار کوانتوم به کلاسیک گفته می‌شود.

عموما گمان بر این است که «کوانتیدگی» در فرایندی که گسستگی نام دارد گم می‌شود، فرایندی که در آن آشفتگی در محیط پیرامونی، تابع موج کوانتومی را که توضیح‌دهنده بروز سوپرپوزیشن‌های چندحالتی است، وامی‌دارد تا به یک حالت مشخص کلاسیک فروبپاشد. هر چقدر که جسم بزرگ‌تر باشد، تمایل به گسستگی بیشتر می‌شود، چرا که احتمال تعامل با محیط بیرون بیشتر می‌شود.

یک جلوه انطباق کوانتومی، تداخلی است که می‌تواند بین ذرات کوانتومی که از میان دو یا تعداد بیشتری از شکاف‌های باریک رد می‌شوند، رخ دهد. در دنیای کلاسیک، ذرات بدون تغییر مسیر حرکت خود عبور می‌کنند، مانند توپ‌های فوتبالی که از میان یک دروازه عبور می‌کنند. ولی ذرات کوانتوم می‌توانند مانند امواج رفتار کنند، و هنگامی که از شکاف عبور می‌کنند با یکدیگر تداخل کنند، و یکدیگر را یا تقویت و یا خنثی کنند تا یک سری نوارهای تاریک و روشن ایجاد کنند. این تداخل ذرات کوانتومی، که اولین بار در سال 1927 / 1306 در الکترون‌ها دیده شد،‌ نتیجه عبور یک ذره از بیش از یک شکاف است:‌ یک سوپرپوزیشن کوانتومی.

هنگامی که ابعاد آزمایش بزرگ‌تر می‌شود، در یک نقطه رفتار کوانتومی (تداخل) باید جای خود را به رفتار کلاسیک (بدون تداخل) بدهد. ولی این ذرات را چقدر می‌توان بزرگ کرد بدون این که این گذار رخ دهد؟

بزرگ کردن
در سال 1999 / 1378، گروهی در دانشگاه وین، با استفاده از پرتوهایی از مولکول 60 اتمی کربن که به شکل یک کره توخالی بود، تداخل را یک آزمایش با شکاف‌های متعدد نشان دادند. اکنون مارکوس ارنت، یکی از پژوهشگرانی که در آزمایش قبلی شرکت داشت، و همکارانش از اتریش، آلمان، ایالات متحده و سوئیس، اثر مشابهی را نمایش دادند؛ آن هم با استفاده از مولکول‌های بسیار بزرگ‌تری که فقط به این منظور ساخته شده بودند و با داشتن 430 اتم، تا 6 نانومتر پهنا داشتند. این‌ها حتی از برخی از مولکول‌های پروتئین، (مانند انسولین) هم بزرگ‌تر هستند.

در آزمایش این گروه، پرتوهای نور از میان سه سری شکاف می‌گذرند. اولین شکاف، از یک قطعه نیترید سیلیکون ساخته شده که روی آن، شبکه‌ای از شکاف‌هایی به پهنای 90 نانومتر ایجاد شده تا مولکول‌ها را به حالت گسسته‌ای ببرد که در آن، تمام موج‌های ماده، هماهنگ با هم هستند. دومی، یک «شبکه مجازی» با استفاده از نور لیزر است و در آن، چند آینه نور لیزر را به گونه‌ای می‌تابانند که موج ایستایی از نور و تاریکی ایجاد شود، این شکاف، الگوی تداخل را ایجاد می‌کند. شبکه سوم، که آن هم از جنس نیترید سیلیکون است، مانند یک ماسک عمل می‌کند تا قسمت‌هایی از الگوی تداخل را به یک طیف‌سنج جرمی چهار قطبی هدایت کند، که تعداد مولکول‌هایی را که از آن می‌گذرند می‌شمرد.

پژوهشگران این آزمایش، در مقاله‌ای که در نیچر منتشر شده، گزارش داده‌اند که هنگامی که پرتوی خروجی از چپ به راست پیمایش می‌شود، این تعداد به طور منظم بالا و پایین می‌رود، امری که نشان‌دهنده تداخل است و به تبع آن می‌توان گفت که سوپرپوزیشن اتفاق افتاده است.

با وجود این که این آزمایش خیلی شبیه به آزمایش کلاسیک گربه شرودینگر به نظر نمی‌رسد، به دنبال اثرات کوانتومی مشابهی می‌گردد. این آزمایش مانند این است که خود گربه‌ها را به شبکه‌های تداخل شلیک کنیم، به جای این که سرنوشت یک گربه را به یک رخداد مقیاس اتمی وابسته کنیم.

مارتین پلنیو، پژوهشگر فیزیک کوانتوم از دانشگاه اولم آلمان، این تحقیق را بخشی از یک خط پژوهشی مهم می‌داند: «شاید ما با این آزمایش، به درک عمیق و جدیدی از طبیعت نظریه کوانتوم نرسیده باشیم، اما این امید وجود دارد که با بهبود روزافزون شیوه‌های آزمایش، بتوانیم در نهایت چیز جدیدی را کشف کنیم».

به گفته آرنت، چنین آزمایش‌هایی باید در نهایت امکان آزمایش جنبه‌های بنیادین نظریه کوانتوم را فراهم کنند، مانند این که چگونه با مشاهده، تابع موجی فرو می‌پاشد: «باید در آزمایش‌های آینده دور، پیش‌بینی‌هایی از قبیل این که جاذبه بعد از یک مرز جرمی مشخص شامل فروپاشی تابع موجی است یا نه، در جرم‌هایی به مراتب بیشتر از این، قابل انجام شوند».

آیا موجودات زنده، (شاید نه گربه‌ها، ولی موجودات ذره‌بینی مانند باکتری‌ها) را می‌توان در حالت انطباق کوانتومی قرار داد؟ این کار برای ویروس‌ها انجام شده است، (البته کوچک‌ترین آنها که تنها چند نانومتر پهنا دارند) هرچند در مورد این که ویروس‌ها باید موجود زنده تلقی شوند یا نه، وجود ندارد. آرنت می‌گوید: «در چنین آزمایش‌هایی، استفاده از مولکول‌های ساخته شده دانشمندان خیلی ساده‌تر از کار با ویروس‌ها است». ولی وی این را نیز می‌افزاید که اگر بتوان به همه مسائل تکنیکی متعدد آن (که کم هم نیستند) پرداخت، «من دلیلی نمی‌بینم که نتوان این کار را انجام داد».

تابع موج کوانتومی

تابع موج (به انگلیسی: Wave function) در مکانیک کوانتومی برای هر ذره یا سامانه فیزیکی، یک تابع مختلط می‌باشد که دربرگیرندهٔ حالات ممکن ذره یا سامانه در فضا است.

ویژگی‌های تابع موج

تابع موج می‌تواند هم در فضای مکان و هم در فضای تکانه بدست آید که این دو فضا به‌وسیله تبدیل فوریه به یکدیگروابسته می‌شوند.تابع موج بنابرمساله مورد بررسی در یکی ازمعادلات شناخته شده مکانیک کوانتومی (برای نمونه درحالت غیرنسبیتی در معادله شرودینگر) صدق می‌کند.تابع موج را معمولاً با ψ نشان می‌دهند.تابع موج را می‌توان به زبان ریاضی به صورت یک بردار مختلط که تعداد عناصر آن می‌تواند مشخص ویا بیشمار ویا به‌وسیله یک تابع مختلط که دارای متغیرهای حقیقی باشد نشان داد. تابع موج به صورت بردار مختلط با تعداد عناصر مشخص رامی توان به صورت: وبا تعداد عناصربیشمار به صورت : و به صورت تابع مختلط نشان داد. تابع موج یک موجود مختلط است و مفهوم فیزیکی ندارد. آنچیزی که برای ما قابل درک است کمیتی است حقیقی به نام چگالی احتمال

که از حاصلضرب تابع موج در مزدوج خود بدست می‌آید و آنرا با P نشان می‌دهیم.

دیراک با تعریف و نمادگذاری فضاهای برا (bra) و کت (ket) فرمول نویسی و پیکربندی مکانیک کوانتومی را آسان نمود.

یک نمونه تابع موج دو بعدی کوانتومی

تابع موج الکترون و یا هر ذره اتمی به تنهایی بیان کننده چیزیی نیست و مفهومی ندارد.به علت اصل عدم قطعیت به طور دقیق نمی‌توان مکان الکترون، انرژی و... را مشخص کرد.در مکانیک کوانتومی تنها می‌توان از احتمال یک پدیده صحبت کرد.احتمال حضور الکترون در یک مکان خاص، احتمال بودن در تراز انرژی مخصوص، احتمال گذار از یک تراز به تراز دیگر و....بر خلاف تئوری‌های پیشین در باره اتم که آن را به صورت یک هسته که الکترون‌ها و پروتون‌ها در اطراف آن چرخش می‌کردند فرض می‌کردند، در مکانیک کوانتومی الکترون در اطراف هسته قرار دارد، ولی نمی‌توان گفت که در کجا و در چه فاصله‌ای و در چه ترازی قرار دارد. بلکه با استفاده از پتانسیلی که الکترون درآن قرار دارد و حل معادله شرودینگر برای الکترون و بدست آوردن تابع موج حاکم بر رفتار الکترون، می‌توان بررسی کرد که احتمال حضور الکترون در فاصله به خصوصی از هسته و تراز انرژی آن جه قدر است. بنابراین باید تابع احتمال را بدست آورد. تابع احتمال در مکانیک کوانتومی از ضرب تابع موج در مختلط همان تابع بدست می‌آید.به عبارت بهتر باید بر روی تابع موج عمل مجذور مختلط انجام داد.

دنیای مکانیک کوانتومی دنیای عملگرهااست.عمل گر یک وسیله اندازه گیری در کوانتوم است. فرض می کنیم که میخواهیم بدانیم الکترون در چه تراز انرژی قرار دارد.برای این کار روی آن اندازه گیری از نوع انرژی انجام می دهیم.این عمل در فرمول بندی مکانیک کوانتومی بدین صورت است که عملگر هامیلتونی سیستم (الکترون) که همان وسیله اندازه گیری برای انرژی است باید روی تابع موج سیستم(الکترون) اعمال شود که باید نتیجه این عمل به درستی تعبیر شود.اگر تابع موج سیستم(الکترون)بهنجار شده و تابع موج پایه سیستم باشد، آنگاه از اعمال عملگر هامیلتونی روی تابع موج الکترون دو قسمت مجزا بدست می‌آید. یک قسمت عددی با بعد انرژی است که به آن مقدار انتظاری انرژی گویند.قسمت دیگر همان تابع موج سیستم خواهد بود.اما تعبیر این جواب بدین شکل است که:احتمال اینکه الکترون در ترازانرژی بدست امده(مقدار انتظاری انرژی) باشد برابر است با مجذور مختلط کل جواب بدست آمده از اعمال عملگر هامیلتونی بر روی تابع موج.

تناقض هایی که بین آزمایش‌ها در حوزه فیزیک اتمی و زیر اتمی و قوانین فیزیک کلاسیک وجود داشت باعث روآوری فیزیک دانان به مکانیک کوانتومی شد. در حقیقت آزمایش با تئوری سازگاری نداشت و فیزیک کلاسیک نمی‌توانست بسیای از پدیده‌های حوزه اتم را پیش بینی کند. از طرف دیگر دوگانگی در رفتار نور و الکترون‌ها که در آزمایش دو شکاف یانگ بوجود آمد علت اساسی تعریف تابع موج برای حرکتهای اتمی شد.بدین معنا که رفتار الکترون‌ها را بوسیله تابع موج گونه توضیح میدهیم. آنجائیکه الکترون رفتار ذره‌ای دارد، میگوییم تابع موج آن جایگزیده است و آنجا که رفتار موج گونه دارد، تابع موج آن گسترده و پخش شده است. باید دقت کرد که حرکت الکترون به صورت موج نیست و یا خودش نیز موج نیست بلکه ذره است. اما می‌توان رفتار و خصوصیات آن مانند انرژی، حضور در یک مکان و ... را بوسیله تابع موج توضیح داد.

هم چنین اصل عدم قطعیت باعث شده است که به طور یقیین نتوان گفت که در یک زمان خاص الکترون در کجا قرار دارد. بلکه فقط می‌توان احتمال حضور آن در یک مکان را بررسی کرد. این احتمال از طریق تابع موج وابسته به الکترون بدست می‌آید.

منبع:

• فیزیک کوانتومی تالیف استیون گازیورویچ-ترجمه شیخ الاسلامی مرکز نشر دانشگاهی ۱۳۷۸

• Griffiths, David J. (2004). Introduction to Quantum Mechanics (2nd ed.). Prentice Hall. ISBN 0-13-805326