محدودیت سرعت حتی در جهان کوانتم
حتی در دنیا کوچکترین ذرات با قوانین خاص خود ، سرعت ذرات نمی تواند بی نهایت باشد. فزیکدانان دانشگاه بن (University of Bonn)) طی انجام یک سلسله تجارب سرعت محدود را در انجام عملیات پیچیده کوانتومی مشاهده کرده اند. در این تحقیق دانشمندان MIT (Massachusetts Institute of Technology) ، دانشگاه های هامبورگ ، کلن و پادوا و مرکز تحقیقات ژولیخ نیز شرکت داشتند. نتایج بدست آمده ازین آزمایش برای تحقیق کمپیوترهای کوانتومی مهم است. و این تحقیقات را مجله های معتبر ساینسی از جمله Physical Review X و مجله American Physical Society پوشش داده اند.
فرض کنید یک خدمه رستورانت را مشاهده می کنید که در شب سال نو قبل از داخل شدن سال جدید باید یک مجموعه از پیاله های نوشابه را تعارف کند. او با حداکثر سرعت ازیک مهمان به طرف مهمان دیگر می‌شتابد. وی با این تکنیک خود، که در طی سالهای طولانی به کمال رسانده است، موفق می شود حتی یک قطره از نوشابه را نریزاند. و این تخنیک کوچک وی طوری است که او در حالی که قدم های خود را تسریع می‌کند، مجموعه را کمی کج می کند تا نوشابه از پیاله ها بیرون نریزد. و در نیمه راه ، او را در جهت مخالف متمایل کرده و سرعت خود را کم می کند. فقط وقتی که می‌خواهد توقف کند مجموعه را به حالت اولی اش یعنی هموار می‌گیرد.
اتوم ها از جهاتی شبیه نوشابه هستند. آنها را می توان امواج ماده توصیف کرد، که رفتار آنها مانند یک توپ بیلیارد نبوده بلکه بیشتر شبیه یک مایع است. هر کسی که می‌خواهد اتوم ها را از یک مکان به مکان دیگر منتقل کند، باید به اندازه خدمه رستوانت شب سال نو مهارت داشته باشد. به گفته داکتر آندره آلبرتی Dr. Andrea Alberti رهبر این تحقیق در انستیتوت فزیک تطبیقی دانشگاه بن: یک محدودیت سرعت وجود دارد که این حمل و نقل نمی‌تواند از آن عبور کند.
اتوم سیزم به عنوان جایگزین نوشابه
محققان در مطالعه خود به طور آزمایشی دقیقاً محل دقیق این محدودیت را بررسی کردند. آنها از یک اتوم سزیم به عنوان جایگزین نوشابه و دو شعاع لیزر که کاملاً روی هم قرار گرفته اند اما مانند مجموعه به جهت مقابل همدیگر. که این حالت در فزیک به عنوان تداخل یاد می‌شود، موجی از نور را به مانند دنباله ای از کوه ها و دره ها که در ابتدا حرکت نمی کند را ایجاد می کند. آلبرتی می گوید: “ما اتوم را در یكی از این دره ها بارگیری كردیم ، و سپس موج ایستاده را به حركت در آوردیم – این وضعیت موقعیت دره را جابجا كرد.” “هدف ما این بود که اتوم را در کمترین زمان ممکن و بدون ریختن آن از دره ، به محل مورد نظر برسانیم.”
این واقعیت که یک محدودیت سرعت در جهان میکروسکوپس وجود دارد، بیش از 60 سال پیش توسط دو فیزیکدان اتحاد جماهیر شوروی، لئونید ماندلشتام و ایگور تام، اثبات شده بود. آنها نشان دادند که حداکثر سرعت یک پروسه کوانتومی به عدم قطعیت انرژی بستگی دارد ، یعنی اینکه ذره دستکاری شده نسبت به حالت‌های احتمالی انرژی چقدر “آزاد” است: هرچه آزادی انرژی بیشتری داشته باشد، سریعتر است. به عنوان مثال ، در مورد حمل و نقل یک اتوم ، هرچه دره عمیق تری که اتوم سزیم در آن محبوس شده است، گسترش می یابد، انرژی های کوانتومی موجود در دره بیشتر گسترش می‌یابد و در نهایت می‌توان اتوم را با سرعت بیشتری حمل کرد. مورد مشابهی را می‌توان در مثال خدمه رستوانت مشاهده کرد: اگر او فقط پیاله‌ها را تا نیمه پر کند (به ناراحتی مهمانان) ، با شتاب و کاهش سرعت ، نوشابه کمتر می ریزد. با این حال، آزادی انرژی ذره را نمی توان خودسرانه افزایش داد. آلبرتی تأکید می کند: “ما نمی توانیم دره خود را بی نهایت عمیق کنیم – چون به این کار به انرژی بیشتر ضرورت خواهد داشت.”
محدودیت سرعت مندلشتام و تام یک حد اساسی است. با این حال ، فقط در شرایط خاص می توان به آن رسید ، یعنی در سیستم هایی که فقط دو حالت کوانتومی دارند. به گفته این فزیکدانان “به عنوان مثال در مورد ما این زمانی اتفاق می افتد که مبدا و مقصد بسیار نزدیک به یکدیگر باشند.” “سپس امواج ماده اتوم در هر دو مکان با هم همپوشانی دارند و اتوم می‌تواند با یک حرکت مستقیماً به مقصد منتقل شود ، یعنی بدون هیچ گونه توقفی دربین تقریباً مانند انتقال کشتی فضایی در Star Trek.
اما اگر فاصله را بیشتر بسازیم وضعیت متفاوت تری مانند آزمایش بن خواهیم داشت. برای این مسافت ها ، حمل و نقل مستقیم غیرممکن است. در عوض، ذره باید از چندین حالت میانی عبور کند تا به مقصد نهایی خود برسد: که در چنین وضعیت سیستم دو سطحی به یک سیستم چند سطحی تبدیل می شود. این مطالعه نشان می دهد که محدودیت سرعت کمتری نسبت به آنچه توسط دو فیزیکدان اتحاد جماهیر شوروی پیش بینی شده است ، برای چنین پروسه یی اعمال می شود: این امر نه تنها با عدم قطعیت انرژی ، بلکه همچنین با تعداد حالت های میانی تعیین می شود. به این ترتیب، کار درک نظری پروسه کوانتومی پیچیده و محدودیت های آنها را بهبود می‌بخشد.
یافته های فزیکدانان از جمله برای محاسبات کوانتومی مهم است. محاسباتی که با کمپیوترهای کوانتومی امکان پذیر است بیشتر مبتنی بر دستکاری سیستم های چند سطحی است. حالت های کوانتومی بسیار شکننده هستند. آنها فقط یک مرور کوتاه مدت دارند ، که فزیکدانان آن را زمان کوهرنت می نامند. بنابراین مهم است که در این زمان هرچه بیشتر عملیات محاسباتی بسته بندی شود. آلبرتی توضیح می دهد: “مطالعه ما حداکثر تعداد عملیاتی را که می توانیم در زمان کوهرنت انجام دهیم نشان می دهد.” “این امکان را می‌دهد که بهترین استفاده از آن را داشته باشیم.
منبع: phys.org