پارادوکس زنون: میانبری برای تولید رایانه‌های کوانتومی

اثر زنون، یک پدیده کوانتومی‌ست، که نامش از پارادوکس معروف زنون، فیلسوف یونانی، اخذ می‌شود. این پدیده که نسخه عملی‌اش اخیراً در بلور الماس امتحان شده، نوید ظهور زودهنگام تراشه‌های بهینه و پرکاربرد کوانتومی را می‌دهد.

زنون الئایی، فیلسوف یونانی سده پنجم پیش از میلاد، به صورت‌بندی پارادوکس آشنایی مشهور است که مطابق آن، اگر موقعیت تیر پرّانی در هوا، برای یک لحظه معلوم شود، آنگاه حرکت این تیر، در لحظه متوقف می‌شود و هرگز به مقصدش نخواهد رسید. اما در نسخه کوانتومی این پارادوکس، شرایط موجود آنقدر عجیب هست که دیگر اسم این فرضیه را بایستی نه یک پارادوکس، بلکه یک «پدیده» عینی گذاشت. مطابق پیش‌بینی فیزیکدانان در اواخر دهه ۱۹۷۰، اگر یک سامانه کوانتومی برای مدت‌زمان مشخصی در معرض پایش قرار گیرد، ثبات وضعیت‌اش حفظ خواهد شد؛ و انگار این ضرب‌المثل حقیقت می‌یابد که «قوری تحت نظر، هرگز به جوش نخواهد آمد». این پیش‌بینی، البته ریشه در فرض کوانتومی بنیادینی موسوم به «معضل محاسبه» (Measurement Problem) دارد، که بر اساس آن، تعیین یک ویژگی به‌خصوص از شئ تحت نظر، مثلاً موقعیت مکانی آن، وضعیت کلّی شئ را دست‌خوش تغییر می‌کند. اثر زنون کوانتومی، برای نخستین بار در سال ۱۹۸۹، در یون‌هایی مشاهده شد که با قرارگیری در معرض میدان‌های قوی مغناطیسی و الکتریکی، دمایشان به شدت افت کرده بود.

حالا، اولیور بنسون (Oliver Benson) و همکارانش از دانشگاه هومبولت آلمان، موفق شده‌اند این پدیده را در بلور الماس بازسازی کنند – ماده‌ای که طبعاً قابلیت تولید انبوه را در شرایطی از قبیل ساخت رایانه‌های کوانتومی، دارد. این تیم، هم‌اینک گزارش مشروح این بررسی را در وب‌سایت arXiv پیش‌نشر داده و نشریه Physical Review A هم قرار است آن را به زودی منتشر کند.

 ایجاد اختلال در نوسانات کوانتومی

محققین آلمانی در این بررسی توجهشان را بر «مراکز نیتروژنی-تهی‌جایی» (یا به اختصار، مراکز NV) متمرکز کرده‌اند؛ یعنی عیوب ساختاری منحصربفردی در بلور الماس، که در آن‌ها یک اتم نیتروژن و یک فضای تهی، با دو اتم کربن همجوار جایگزین می‌شوند. آن‌ها برای تغییر وضعیت اسپین مغناطیسی یک الکترون واقع در هر مرکز NV، از امواج میکروموجی استفاده کردند و سپس از طریق شلیک یک پرتو لیزر، بازتاب فلوئورسنت سرخ‌رنگی را پدید آورند که در هر لحظه معلوم می‌کرد الکترون در کدامین یک از دو وضعیت ممکنش قرار دارد. این محققین، وقتی از این شیوه برای بررسی مراکز NV بهره بردند، متوجه شدند که نوسان تصادفی مابین این دو وضعیت الکترون، از بین رفته و آن‌ها الکترون را تنها در یک وضعیت باثبات می‌بینند – اتفاقی که فقط در صورت تحقق اثر زنون کوانتومی، انتظارش می‌رفت.

بنسون در اشاره به نسخهٔ کوانتومی دروازه‌های منطقی سازنده مدارات پیچیده‌ای که امروزه در تراشه‌های کنونی استفاده می‌شوند، می‌گوید: «اولین قدم این است که ببینیم این پدیده [یعنی اثر زنون کوانتومی] اصلاً شدنی هست یا نه؛ ولی قدم بعدی، تولید دروازه‌های [منطقی] کوانتومی در ساختار الماس است». در رایانه‌های کوانتومی، اطلاعات را بایستی با توجه به وضعیت کوانتومی محیط حامل، از قبیل فوتون‌ها یا عیوب ساختاری الماس، کدگذاری کرد. اما متأسفانه پدیده «گسستگی کوانتومی» (Quantum Decoherence)، یا همان تخریب ناخواسته این وضعیت‌های شکننده اتمی توسط نویز پراکنده در محیط، تاکنون محققین را از ذخیره لحظه‌ای چیزی بیش از چند بیت اطلاعات، آن هم در کل ساختار بلور الماس، بازداشته بود. اما پایش مستمر وضعیت کوانتومی مزبور، می‌تواند امکان این تخریب ناخواسته را منتفی کرده و به محققین اجازه دهد حجم اطلاعات ذخیره‌شده را تا چند برابر افزایش دهند.

رونالد والس‌وورث (Ronald Walsworth)، از فیزیکدانان اتمی دانشگاه هاروارد، که به اتفاق تیم‌اش در سال ۲۰۱۰ برای نخستین بار امکان تحقق تجربی اثر زنون کوانتومی را ثابت کرده بود، گرچه شواهد منتج از آزمایشات بنسون را مستدل می‌بیند، اما معتقد است که پیش از استفاده از آن‌ها برای تولید رایانه‌های کوانتومی، بایستی با دقت بیشتری ابتدا ثابت کرد که مختل‌سازی نوسانات کوانتومی (یا همان حفظ ثبات وضعیت الکترون)، حقیقتاً کار پدیده زنون بوده، نه سایر عوامل احتمالی.

به‌گفته رونالد هنسون (Ronald Hanson)، دیگر فیزیکدانی که در دانشگاه صنعتی دلفت هلند بر مراکز NV تحقیق می‌کند، آزمایش بنسون، همراه با مقاله‌ای مربوط به ماه آوریل سال میلادی جاری – که نشان داده بود دو وضعیت کوانتومی واقع در دو مرکز NV که در ۳ متری همدیگر قرار دارند، امکان همبستگی کوانتومی (Quantum Entanglement) را دارند – حکایت از این می‌کنند که الماس، ماده مناسبی برای تولید رایانه‌های کوانتومی به شمار می‌رود. او می‌گوید: «تا چند سال آینده، موانع یونی را هم [در راه ساخت رایانه‌های کوانتومی] پشت سر خواهیم گذاشت».

منبع: Nature

توضیح تصویر:

۱-       ادوات آزمایشی تیم بنسون