دروغ‌سنج کوانتومی ساخته شد!

غزال زیاری: یک تیم بین‌المللی از پژوهشگران اخیراً موضوع جالبی را تأیید کرده‌اند؛ طبق اعلام این محققان، سامانه‌های کوانتومی بزرگ واقعاً از قوانین مکانیک کوانتومی پیروی می‌کنند.

آن‌ها با اجرای آزمون بل روی ۷۳ کیوبیت، وجود هم‌بستگی‌های واقعی کوانتومی که با فیزیک کلاسیک قابل توضیح نبود را اثبات کردند. نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که رایانه‌های کوانتومی نه‌تنها بزرگ‌تر، بلکه به‌طور واقعی‌تری “کوانتومی” هستند؛ بدین ترتیب این کشف، راه را برای ارتباطات امن‌تر و الگوریتم‌های کوانتومی قدرتمندتر هموار خواهد کرد.

آزمایشی به نام دروغ‌سنج کوانتومی!

آیا می‌توان اثبات کرد که یک سامانه بزرگ کوانتومی واقعاً مطابق با قوانین عجیب و شگفت‌انگیز مکانیک کوانتومی رفتار می‌کند یا فقط به آن تظاهر می‌کند؟

فیزیک‌دان‌هایی از دانشگاه لیدن (هلند)، پکن و هانگژو (چین)، در مطالعه‌ای پیشگامانه موفق شدند تا برای این سؤال به یک پاسخ قطعی برسند. ما می‌توانیم این آزمایش را نوعی دروغ‌سنج کوانتومی بنامیم؛ آزمونی بر پایه نظریه جان بل، فیزیک‌دان مشهور که نشان می‌دهد آیا یک ماشین، مثل رایانه کوانتومی، واقعاً از پدیده‌های کوانتومی استفاده می‌کند یا فقط آن‌ها را شبیه‌سازی می‌نماید.

آزمون نهایی کوانتومی بودن

با پیشرفت فناوری‌های کوانتومی، نیاز به انجام آزمایش‌های دقیق‌تری برای سنجش میزان “کوانتومی بودن” افزایش یافته است. حالا و در این پژوهش جدید، تیم تحقیقاتی پا را فراتر گذاشت و هم‌بستگی‌های بل را در سامانه‌هایی تا ۷۳ کیوبیت (یعنی واحدهای بنیادین پردازش در رایانه‌های کوانتومی) آزمایش کرد. این پروژه به نوعی همکاری جوردی تورا، پاتریک امونتس و منگ‌یائو هو، فیزیک‌دان‌های نظری دانشگاه لیدن هلند با همکارانشان از دانشگاه تسینگهوا (پکن) و دانشگاه ژجیانگ (هانگژو) بود.

دنیای شگفت‌انگیز فیزیک کوانتومی

مکانیک کوانتومی علمی است که به توصیف رفتار کوچک‌ترین ذرات جهان (مثل اتم‌ها و الکترون‌ها) می‌پردازد؛ دنیایی که پر از پدیده‌های عجیب و خلاف عقل است. یکی از این پدیده‌ها، غیرمحلی بودن کوانتومی (Quantum Nonlocality) است؛ حالتی که در آن ذرات، حتی اگر فاصله زیادی بینشان باشد، می‌توانند بلافاصله بر یکدیگر تأثیر بگذارند. این اثر آن‌قدر مهم و بنیادین است که جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۲۲ را به خود اختصاص داد. حالا این پژوهش جدید بر اثبات وجود همین هم‌بستگی‌های غیرمحلی که به هم‌بستگی‌های بل معروف است، تمرکز دارد.

آزمایشی هوشمندانه

پژوهشگران به‌جای اندازه‌گیری مستقیم و پیچیده هم‌بستگی‌های بل، بر چیزی تمرکز کردند که رایانه‌های کوانتومی در آن مهارت دارند: به حداقل رساندن انرژی! و با طرح بلندپروازانه و رویکرد هوشمندانه‌شان توانستند تا مسیر موفقیت را هموار کنند. نتیجه به‌دست‌آمده شگفت‌انگیز بود.

آن‌ها توانستند تا با استفاده از ۷۳ کیوبیت در یک پردازنده کوانتومی ابررسانا، حالت خاصی از انرژی بسیار پایین (پایین‌تر از هر مقدار ممکن در سامانه‌های کلاسیک) را تولید کنند. این اختلاف به‌اندازه ۴۸ انحراف معیار بود، یعنی احتمال وقوع تصادفی آن تقریباً صفر است.

اما پژوهش آن‌ها به همین‌جا ختم نشد و در ادامه به بررسی نوع نادر و دشوارتری از غیرمحلی بودن کوانتومی موسوم به هم‌بستگی‌های چند ذره‌ای واقعی (Genuine Multipartite Bell Correlations) پرداختند.
در این حالت، تمام کیوبیت‌های سامانه باید درگیر باشند که هم تولید و هم تأیید آن به‌مراتب سخت‌تر خواهد بود. با این وجود پژوهشگران موفق شدند تا مجموعه‌ای از حالت‌های کوانتومی با انرژی پایین را تا سطح ۲۴ کیوبیت آماده و با موفقیت در این آزمون تأیید کنند. این یافته‌ها نشان می‌دهد که رایانه‌های کوانتومی نه‌تنها از نظر اندازه، بلکه از نظر “عمق کوانتومی” هم در حال رشد هستند.

چرا این موضوع اهمیت دارد؟

این پژوهش برای اولین بار نشان می‌دهد که می‌توان رفتار کوانتومی عمیق را در سامانه‌های بزرگ و پیچیده به‌صورت قطعی تأیید کرد که این گام بزرگی در جهت اطمینان از این‌که رایانه‌های کوانتومی واقعاً کوانتومی هستند، نه صرفاً شبیه آن، به شمار می‌رود.

اهمیت این دستاورد صرفاً نظری نیست. چرا که درک و کنترل هم‌بستگی‌های بل ممکن است به افزایش امنیت ارتباطات کوانتومی، تقویت رمزنگاری کوانتومی و طراحی الگوریتم‌های جدید و پیشرفته‌تر هم منجر شود.

منبع: sciencedaily

۵۸۵۸