فناوری کوانتومی چیست و چه تاثیری بر آینده ما خواهد داشت؟

فناوری کوانتومی چیست؟

گاهی اوقات خواندن در مورد نحوه صحبت فیزیکدانان در مورد  پدیده های کوانتومی ممکن است گیج کننده باشد. اما تنها چیزی که واقعاً می‌خواهیم بفهمیم تأثیرات اساسی نظریه کوانتومی بر زندگی روزمره ما است و اینکه چگونه نوآوری‌ها در این زمینه آینده ما را شکل می‌دهند. برای شروع، اجازه دهید به طور خلاصه توضیح دهیم که فناوری کوانتومی چیست .

فناوری کوانتومی بر مهار و بهره برداری از قوانین مکانیک کوانتومی متکی است. کاری که نظریه کوانتومی انجام می دهد، زوم کردن بر روی اتم ها و ذرات زیراتمی است که ماده را تشکیل می دهند. برخلاف فیزیک کلاسیک که بر گرانش متکی است، قوانین حرکت نیوتن و مانند آن، ذرات کوانتومی قوانین خاص خود را دارند. از آنجایی که این ذرات رفتار کوانتومی دارند، باید به دو اصل اساسی برای توضیح چنین رفتاری اشاره کنیم:

1. برهم نهی

برهم نهی نشان دهنده توانایی یک سیستم کوانتومی برای قرار گرفتن همزمان در چندین حالت است. اگرچه کمی دیوانه به نظر می رسد، اما شبیه گربه شرودینگر است که می تواند تا زمانی که اندازه گیری شود در چندین حالت باشد.

2. درهم تنیدگی

درهم تنیدگی، از نظر تئوری کوانتومی، زمانی است که دو اتم با وجود فواصل زیاد از هم جدا می شوند. اگر ویژگی های یکی از آنها تغییر کند، همتای درهم تنیده (icle) نیز فوراً تغییر می کند. این اتفاق می افتد حتی زمانی که اتم ها در دو انتهای جهان قرار می گیرند.

این دو اصل کوانتومی هستند که مسئول بزرگترین پیشرفت‌ها در فناوری کوانتومی تاکنون هستند. طبق استانداردهای فیزیک روزمره، این ویژگی ها ممکن است عجیب به نظر برسند، اما فیزیک کوانتومی جادو نیست. تحت قوانین و اصول دقیق ریاضیات در حال تحقیق است. برخی از این سیستم های کوانتومی کاربرد روزمره خود را پیدا کردند و برخی دیگر راه خود را به سوی آن هموار می کنند. محدودیت‌های مکانیک کوانتومی فقط قابل تصور است زیرا در نهایت در حال یادگیری کنترل درهم‌تنیدگی کوانتومی و برهم‌نهی کوانتومی هستیم.

برخی از فناوری‌هایی که ما هر روز استفاده می‌کنیم، وجودشان را مدیون درک ما از فیزیک کوانتومی است. بیایید چند فناوری کوانتومی را که در حال حاضر مورد استفاده قرار گرفته اند نام ببریم:

• انرژی هسته ای – نظریه کوانتومی برای درک ساختار هسته ای مورد نیاز است. ذرات تشکیل دهنده هسته – پروتون ها و نوترون ها – به شدت توسط نیروهای هسته ای یکدیگر را جذب می کنند و برخورد آنها باعث ایجاد انرژی هسته ای می شود.
• ساعت اتمی – زمان شبکه توسط ساعت های اتمی نگهداری می شود. آنها از انتقال الکترونیکی از یک حالت به حالت دیگر به عنوان “آونگ” خود برای تولید یک “تیک” بسیار پایدار و قابل تکرار استفاده می کنند.
• لیزر – امروزه لیزرها راه حلی برای مشکلات بی شماری در علم، پزشکی و فناوری های روزمره هستند. توسعه آنها بر اساس نظریه کوانتومی انیشتین در مورد تشعشعات و تحولات بعدی در انتشار تحریک شده بود.
• تشدید مغناطیسی – اگر تا به حال آسیب دیدید و اسکن MRI را انجام دادید، باید بدانید که همه اینها به لطف پیشرفت در رزونانس مغناطیسی هسته ای و نظریه کوانتومی تکانه زاویه ای “اسپینی” امکان پذیر بود.
• نیمه هادی ها – نیمه رسانایی یک پدیده مکانیکی کوانتومی است. اثرات کوانتومی بر اساس نیمه رسانایی و ترانزیستورهای حالت جامد است که منجر به یک انقلاب الکترونیکی واقعی و تولید انبوه کامپیوترهای کلاسیک شد.
• تلویزیون – یک تلویزیون صفحه تخت دارای چیزی است که به عنوان صفحه نمایش با نور پس زمینه LED شناخته می شود. این از یک منبع نور کم مصرف به نام دیود ساطع کننده نور استفاده می کند.

فهرست می‌تواند ادامه داشته باشد… اما، حتی اگر فناوری‌های موجود مبتنی بر فیزیک کوانتومی را می‌توان بیشتر توسعه داد و محدودیت‌های شناخته شده امروزی را افزایش داد، وعده‌های خاصی از نظریه کوانتومی وجود دارد که جهان را آنطور که می‌شناسیم متحول خواهد کرد. نوآوری های آینده در زمینه کوانتومی:

• کامپیوترهای کوانتومی – اطلاعات در کامپیوترهای معمولی به شکل ارقام دودویی (بیت‌ها) است که فقط می‌توانند دو حالت داشته باشند: 0 یا 1. برهم‌نهی بیت‌های کوانتومی (کیوبیت) به آن اجازه می‌دهد 0، 1 و ترکیبی از هر دو مقدار را ذخیره کند. به طور همزمان – با استفاده از برهم نهی های این دو حالت. محاسبات کوانتومی در حال حاضر داغ ترین موضوع در بین سرمایه گذاران است زیرا این بدان معناست که از نظر سرعت و کارایی در مقایسه با کامپیوترهای کلاسیک پتانسیل باورنکردنی دارد. با این وجود، قبل از ورود کامپیوترهای کوانتومی به بازار، کارهای زیادی باید انجام شود.
• امنیت سایبری – اول از همه، درهم تنیدگی ذرات کوانتومی یک راه عالی برای بهبود امنیت سایبری است. افزایش امنیت ارتباط t با کلیدهای رمز محافظت شده کوانتومی زمانی امکان پذیر است که از اتم های درهم تنیده برای تشخیص اینکه آیا چیزی در انتقال داده تداخل دارد یا خیر استفاده می شود. همچنین محاسبه ضرایب یک عدد بسیار بزرگ (مثلاً 500 رقمی) برای هر کامپیوتر کلاسیکی غیرممکن تلقی می شود. این واقعیت که فاکتورگیری در اعداد بزرگ حتی برای بهترین رایانه های امروزی جهان دشوار است، اساس رمزنگاری امروزی است.
• شبیه سازهای کوانتومی – در سال 1982، فیزیکدان معروف ریچارد فاینمن، شبیه سازی سیستم های کوانتومی را پیشنهاد کرد. این به ما امکان می دهد تا تعاملات بین اتم ها و مولکول ها را درک کنیم. کامپیوترهای کوانتومی این فرصت را برای ما فراهم می کنند تا خود فیزیک کوانتومی را به روشی مطالعه کنیم که قبلاً ممکن نبود. برای مثال، ممکن است برای مدل‌سازی رفتار مولکول دارو و برای طراحی مواد جدید برای باتری‌ها یا انرژی کارآمدتر استفاده شود.
• تله پورت کوانتومی – انتقال اطلاعات از یک ذره به همتای درهم تنیده آن، تله پورت کوانتومی است. اتصال بین جفت های درهم تنیده ذرات دارای حداقل مقدار درهم تنیدگی مورد نیاز برای انجام موفقیت آمیز تله پورت کوانتومی است. محققان تظاهرات زیادی در این زمینه انجام داده‌اند و تا سال 2017، یک گروه تحقیقاتی فوتونی را از زمین به ماهواره‌ای که در فاصله 1400 کیلومتری از بالای زمین می‌چرخد، تله‌پورت کرد. تله‌پورت کوانتومی همچنین مرکز برنامه‌های اینترنت کوانتومی است.

فکر می‌کنید نوآوری‌ها در مکانیک کوانتومی ابتدا ما را به کجا می‌برد؟ هنوز کارهای زیادی وجود دارد که باید انجام شود تا کامپیوترهای کوانتومی به جریان اصلی تبدیل شوند، اما فناوری‌های کوانتومی اغلب بدون اینکه ما متوجه آن باشیم، راه آن را به زندگی روزمره ما تکان می‌دهند.