آنچه قهوه با خامه می تواند در مورد فیزیک کوانتومی به ما بیاموزد

چیزی مشابه در تراشه‌های رایانه‌ای کوانتومی اتفاق می‌افتد – دستگاه‌هایی که در کوچک‌ترین مقیاس‌ها به ویژگی‌های عجیب کیهان دست می‌زنند – جایی که اطلاعات می‌توانند به سرعت با هم مخلوط شوند و قابلیت‌های حافظه این ابزارها را محدود کنند.

راهول ناندکیشور، دانشیار فیزیک در دانشگاه کلرادو بولدر، گفت که نباید چنین باشد.

در یک کودتای جدید برای فیزیک نظری، او و همکارانش از ریاضیات استفاده کرده‌اند تا نشان دهند که دانشمندان اساساً می‌توانند سناریویی ایجاد کنند که در آن شیر و قهوه هرگز با هم مخلوط نشوند – مهم نیست چقدر آنها را بهم می‌زنیم.

یافته‌های این گروه می‌تواند منجر به پیشرفت‌های جدیدی در تراشه‌های کامپیوتری کوانتومی شود که به طور بالقوه روش‌های جدیدی را برای ذخیره اطلاعات در اجسام فوق‌العاده کوچک در اختیار مهندسان قرار می‌دهد.

ناندکیشور، نویسنده ارشد این مطالعه جدید، می‌گوید: «به الگوهای چرخشی اولیه فکر کنید که وقتی خامه را به قهوه صبح خود اضافه می‌کنید، رخ می‌دهد. تصور کنید این مدل‌ها بدون توجه به مدت زمانی که تماشا می‌کنید به چرخیدن و رقصیدن ادامه می‌دهند.»

محققان هنوز باید آزمایش هایی را در آزمایشگاه انجام دهند تا تأیید کنند که این گرداب های بی نهایت واقعاً امکان پذیر هستند. اما نتایج این گروه یک گام بزرگ به جلو برای فیزیکدانانی است که به دنبال ایجاد موادی هستند که برای مدت طولانی خارج از تعادل یا تعادل باقی می مانند – تلاشی که به عنوان “نقض ارگودیسیته” شناخته می شود.

یافته های این تیم این هفته در آخرین شماره منتشر شده است نامه معاینه فیزیکی

حافظه کوانتومی

این مطالعه که شامل نویسندگان مشترک دیوید استیون و الیور هارت، محققین فوق دکترای فیزیک در CU Boulder است، بر اساس یک مشکل رایج در محاسبات کوانتومی است.

رایانه های معمولی با «بیت ها» کار می کنند که به شکل صفر یا یک هستند. ناندکیشور توضیح داد که کامپیوترهای کوانتومی، در مقابل، از «کیوبیت‌ها» استفاده می‌کنند که می‌توانند به صورت صفر، یک یا به دلیل ویژگی‌های فیزیک کوانتومی، صفر و یک به طور همزمان وجود داشته باشند. مهندسان کیوبیت ها را از طیف گسترده ای از چیزها، از جمله اتم های منفرد گرفته شده توسط لیزر یا دستگاه های کوچکی به نام ابررسانا ساخته اند.

اما درست مانند آن فنجان قهوه، کیوبیت ها به راحتی می توانند اشتباه کنند. برای مثال، اگر تمام کیوبیت‌های خود را به یکی تبدیل کنید، در نهایت به عقب و جلو می‌چرخند تا زمانی که کل تراشه به هم ریخته شود.

در مطالعه جدید، ناندکیشور و همکارانش ممکن است راهی برای دور زدن این تمایل به اختلاط پیدا کرده باشند. این گروه محاسبه کرد که اگر دانشمندان کیوبیت‌ها را در الگوهای خاصی مرتب کنند، آن مجموعه‌ها اطلاعات خود را حفظ می‌کنند – حتی اگر با استفاده از میدان مغناطیسی یا اختلالی مشابه آنها را مختل کنید. به گفته این فیزیکدان، این می تواند به مهندسان اجازه دهد تا دستگاه هایی با نوعی حافظه کوانتومی ایجاد کنند.

او گفت: «این می تواند راهی برای ذخیره اطلاعات باشد. “شما اطلاعات را در این مدل ها می نویسید و اطلاعات را نمی توان تخریب کرد.”

لمس هندسه

در این مطالعه، محققان از ابزارهای مدل‌سازی ریاضی برای تصور آرایه‌ای از صدها تا هزاران کیوبیت استفاده کردند که در یک الگوی شطرنجی چیده شده‌اند.

آنها دریافتند که ترفند این است که کیوبیت ها را در یک نقطه تنگ قرار دهند. نادکیشور توضیح داد که اگر کیوبیت ها به اندازه کافی به یکدیگر نزدیک شوند، می توانند بر رفتار همسایگان خود تأثیر بگذارند، تقریباً مانند انبوهی از مردم که سعی می کنند در یک باجه تلفن جمع شوند. برخی از این افراد می توانند صاف یا روی سر بایستند، اما نمی توانند بدون فشار دادن دیگران به طرف دیگر بچرخند.

محققین محاسبه کردند که اگر این الگوها را به درستی چیدمان کنند، این الگوها می توانند در اطراف یک تراشه کامپیوتری کوانتومی جریان داشته باشند و هرگز شکسته نشوند – دقیقاً مانند آن ابرهای خامه ای که برای همیشه در قهوه شما می چرخند.

ناندکیشور گفت: “نکته شگفت انگیز در مورد این تحقیق این است که ما دریافتیم که می توانیم این پدیده اساسی را از طریق هندسه تقریبا ساده درک کنیم.”

یافته های این تیم می تواند بسیار بیشتر از رایانه های کوانتومی تأثیر بگذارد.

ناندکیشور توضیح داد که تقریباً همه چیز در جهان، از فنجان های قهوه گرفته تا اقیانوس های وسیع، به سمت چیزی حرکت می کند که دانشمندان آن را «تعادل حرارتی» می نامند. برای مثال، اگر یک تکه یخ را در فنجان خود بیندازید، گرمای قهوه شما یخ را ذوب می کند و در نهایت مایعی با همان دما تشکیل می دهد.

با این حال، یافته‌های جدید او به مجموعه تحقیقاتی رو به رشدی می‌پیوندد که نشان می‌دهد برخی سازمان‌های کوچک ماده می‌توانند در برابر این تعادل مقاومت کنند – ظاهراً برخی از تغییرناپذیرترین قوانین جهان را نقض می‌کنند.

ناندکیشور گفت: «نیازی نیست که ریاضیاتمان را برای آب و یخ دوباره انجام دهیم. حوزه‌ای از ریاضیات که ما آن را فیزیک آماری می‌نامیم، در توصیف چیزهایی که در زندگی روزمره با آن‌ها مواجه می‌شویم، بسیار موفق است. اما تنظیماتی وجود دارد که ممکن است قابل اجرا نباشد.”