معمای گیج کننده کوانتومی بالاخره حل شد/ جهش فناوری غول پیکر به زودی دنبال خواهد شد

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، فیزیک کوانتومی با توضیح اینکه چگونه ذرات ریز به شیوه‌هایی که منطق روزمره را به چالش می‌کشند، نمایی مسحورکننده از جهان ما ارائه می‌دهد. این فناوری باعث پیدایش فناوری‌های عملی در هر زمینه‌ای از لیزر گرفته تا ساعت‌های اتمی شده است.

یکی از شگفت‌انگیزترین پدیده‌های آن، درهم تنیدگی کوانتومی است، که در آن دو جسم پیوندی به‌قدری قوی به اشتراک می‌گذارند که اندازه‌گیری یکی می‌تواند بلافاصله در دیگری منعکس شود، حتی اگر با فواصل زیاد از هم جدا شوند.

فیزیکدانان مؤسسه فیزیک نظری در پاریس-ساکلی، گامی جسورانه برای توصیف الگو‌های آماری که از این جفت‌های کوانتومی با همبستگی شدید بیرون می‌آیند، برداشته‌اند.

کار اخیر آنها نشان می‌دهد که وقتی محققان بدانند چگونه درهم تنیدگی را در اشکال مختلف آن مدیریت کنند، می‌توانند آزمایش‌های قوی برای فناوری‌های پیشرفته طراحی کنند.

فیزیک کوانتومی درهم تنیدگی را تایید می‌کند

دانشمندان دهه هاست که مفهوم درهم تنیدگی را بررسی کرده‌اند.

آلبرت انیشتین زمانی آن را "عمل شبح وار در فاصله" نامید و آزمایش بل به زودی به آزمایشی سنگ بنا تبدیل شد که تأیید می‌کند درهم تنیدگی با هر توضیح متغیر پنهان محلی مخالفت می‌کند.

در سال ۲۰۲۲، آلن اسپکت، جان کلاوزر و آنتون زایلینگر جایزه نوبل فیزیک را برای کار‌های پیشگامی که ثابت کردند این نتایج درهم تنیده را نمی‌توان با فیزیک کلاسیک توضیح داد، برنده شد.

چرا درهم تنیدگی جزئی مهم است

بیشتر آزمایش‌های اولیه روی کیوبیت‌ها متمرکز بودند که می‌توان آنها را در حالت حداکثری درهم‌تنیدگی یا در پیکربندی متوسط‌تر یافت.

مطالعه جدید به درهم تنیدگی جزئی می‌پردازد، جایی که اشیاء یک همبستگی قوی دارند، اما کمتر از حداکثر سطح هستند.

ویکتور باریزین و ژان دانیل بانکال، فیزیکدانان نظری از مؤسسه تئوریک پاریسی، اظهار داشتند: ایده‌ای که زیبا است، اما توضیح آن دشوار است، توصیف آمار از حالت‌های نیمه در هم تنیده با استفاده از آنچه از حالت‌های درهم پیچیده می‌فهمیم، بود. ما یک دگرگونی ریاضی یافتیم که امکان تفسیر فیزیکی پربار را فراهم می‌کند. 

تست فناوری بدون جعبه سیاه

محققان سال‌ها را صرف توسعه روش‌های خودآزمایی کرده‌اند که از داده‌های اندازه‌گیری به تنهایی برای تأیید درستی یک دستگاه کوانتومی استفاده می‌کنند.

این روش‌ها در رمزنگاری کوانتومی مفید هستند، جایی که ارتباطات ایمن به غیرقابل پیش بینی بودن سیستم‌های درهم تنیده متکی است.

پروژه‌های قبلی نشان دادند که می‌توان برخی از جفت‌های درهم‌تنیده را خودآزمایی کرد. این کار جدید با ارائه یک نمای کامل از آنچه در موقعیت‌هایی که بین افراط‌ها قرار می‌گیرند، پیش می‌رود.

این درک دقیق به آزمایش‌های آتی نقشه راهی برای شناسایی اینکه تا چه حد می‌توانند سیستم‌های کوانتومی را پیش ببرند، می‌دهد.

روشن می‌کند که چرا برخی از تنظیمات درهم تنیده در شرایط دنیای واقعی مستعد خطا هستند و کدام گزینه‌های اندازه گیری ممکن است نتایج را بهینه کنند.

محققان می‌توانند روی طراحی پروتکل‌های کوانتومی با عدم قطعیت کمتر تمرکز کنند. آنها همچنین ممکن است طرحی واضح‌تر برای بزرگ‌سازی رایانه‌های کوانتومی به دست آورند، رایانه‌هایی که برای پردازش اطلاعات به روش‌هایی که ماشین‌های کلاسیک نمی‌توانند به اجزای درهم تنیده متکی هستند.

چالش‌ها و چشم انداز

اجرای این بررسی‌های آماری جامع امری پیش پا افتاده نیست. آزمایشگاه‌ها باید تنظیمات اندازه‌گیری ظریف را ردیابی کنند و اطمینان حاصل کنند که تنظیم ثابت باقی می‌ماند.

با این حال، پایه نظری گامی اساسی به سوی پل زدن ریاضیات انتزاعی با ابزار‌های عملی است.

ممکن است به زودی بتوان نتایج واقعی آزمایشگاه را با معیار‌های کاملاً تعریف شده برای تأیید درهم تنیدگی جزئی مقایسه کرد.

تغییر در آزمایش فناوری کوانتومی

دستگاه‌های کوانتومی اغلب مرموز باقی می‌مانند، زیرا مانند جعبه سیاه رفتار می‌کنند. با یک تصویر کامل از آمار اندازه گیری احتمالی، دانشمندان اکنون می‌توانند اختلافاتی را که ممکن است نشان دهنده نقص در تولید یا کالیبراسیون باشد، پیدا کنند.

این رویکرد زمینه را برای طرح‌های ارتباطی کوانتومی قابل اعتمادتر فراهم می‌کند.

همچنین به پتانسیل پیشرفت‌های جدید در انتقال داده‌های ایمن اشاره می‌کند، زیرا هکر‌ها ممکن است رمزگذاری کوانتومی را دشوارتر برای شکستن در صورت آزمایش دستگاه‌ها فراتر از پروتکل‌های استاندارد بدانند.

تجزیه و تحلیل الگو‌های درهم تنیدگی جزئی می‌تواند آزمایشگاه‌ها را در سراسر جهان تشویق کند تا آزمایش‌های قدیمی‌تر را بازبینی کنند. برخی ممکن است بینش‌های عمیق تری در مورد چگونگی درهم تنیدگی افزایش پیدا کنند، زیرا جفت‌های بیشتری از کیوبیت‌ها در کنار هم قرار می‌گیرند.

یک راهنمای جامع برای درهم تنیدگی جزئی و حداکثری به متحد کردن مسیر‌های تحقیقاتی مختلف کمک می‌کند. همچنین مهندسان را تشویق می‌کند تا سخت افزاری مطابق با یک مدل کوانتومی کامل‌تر بسازند.

چرا هر کدام از اینها اهمیت دارد؟

به طور خلاصه، پیشرفت در این زمینه فراتر از محافل دانشگاهی طنین انداز است. همانطور که محاسبات کوانتومی تکامل می‌یابد، حتی پیشرفت‌های کوچک در مدیریت درهم تنیدگی می‌تواند سرعت و کارایی ماشین‌هایی را که نوید راه‌حل‌های جدید برای مشکلات پیچیده را می‌دهند، افزایش دهد.

درک کامل نوع آمار کوانتومی که در زمان درهم تنیدگی ظاهر می‌شود، پیامد‌های بزرگی دارد. برای شروع، به تعیین مرز‌های خود نظریه کوانتومی کمک می‌کند.

این بدان معناست که ما می‌توانیم آنچه را که واقعاً در آزمایش‌ها ممکن است درک کنیم - البته با این فرض که طبیعت به قوانین فیزیک کوانتومی پایبند است.

در عین حال، این دانش راه‌های قدرتمندی را برای آزمایش انواع سیستم‌ها و اندازه گیری‌های درهم تنیده به ما می‌دهد؛ بنابراین مهم نیست که با چه نوع سیستمی کار می‌کنید، این تست‌ها می‌توانند اعمال شوند.

یک مثال هیجان انگیز؟ دستگاه‌هایی که از درهم تنیدگی کوانتومی استفاده می‌کنند می‌توانند امنیت زیادی را افزایش دهند. به جای تکیه بر تنظیمات فیزیکی سخت افزار - که می‌تواند در طول زمان تغییر کند - می‌توانیم امنیت را بر اساس مشاهدات زمان واقعی قرار دهیم؛ و به طور گسترده تر، این راه را به روی رویکرد‌های جدید در تست کوانتومی، ارتباطات، رمزنگاری و حتی محاسبات باز می‌کند.

این پیشرفت تأیید می‌کند که شکاف بین پیش‌بینی‌های نظری و واقعیت‌های تجربی زمانی کاهش می‌یابد که تبدیل‌های ریاضی با سیستم‌های فیزیکی بسیار نزدیک شود.

وقتی دو ناظر حالت درهم تنیده را اندازه می‌گیرند، فرکانس نتایج مشاهده شده آنها قدرت نظریه کوانتومی را نشان می‌دهد. ارزش‌های افراطی حاکم بر این آمار اکنون با موفقیت شناسایی شده‌اند.

این مطالعه در Nature Physics منتشر شده است.