دانشمندان راهی برای نجات گربه شرودینگر یافته‌اند

آزمایش مشهور گربه در جعبه‌ی اروین شرودینگر، فیزیکدان اتریشی، در‌واقع برای فهم بهتر یکی از ویژگی‌ها‌ی مهم و اصلی مکانیک کوانتومی طراحی‌ شده‌ است. شرودینگر برای نشان‌ دادن رفتار پیش‌بینی‌ناپذیر ذرات در سطح کوانتومی از مثال گربه در جعبه استفاده کرد.

این پیش‌بینی‌ناپذیر بودن، کار با سیستم‌ها‌ی کوانتومی را بسیار مشکل می‌کند. اما اگر بتوانیم در سطح کوانتومی نیز پیش‌بینی انجام‌ دهیم چطور؟ تیمی از فیزیکدان‌ها به‌تازگی به این نتیجه رسیده‌اند که پیش‌بینی کردن در سطح کوانتومی نیز امکان‌پذیر است. آن‌ها ادعا‌ کرده‌اند که توانایی پیش‌بینی پدیده‌ای به‌نام پرش کوانتومی را دارند و حتی می‌توانند آن را پس از شروع، برعکس‌ کنند.

به‌گفته‌ی خودشان آن‌ها توانسته‌اند گربه‌ی شرودینگر را نجات‌ دهند.

اما ابتدا بهتر است آزمایش گربه‌ی شرودینگر را معرفی‌ کنیم. شرودینگر جعبه‌ای بسته را درنظر‌گرفت که محتویات آن از این قرار است: یک گربه، یک نوع ماده‌ی رادیو‌اکتیو، یک شمارنده‌ی گایگر (برای آشکار‌سازی واپاشی رادیو‌اکتیو) و یک بطری کوچک سم. اگر شمارنده‌ی گایگر واپاشی و پرتو‌دهی یک اتم را نشان‌ دهد، شیشه‌ی سم را می‌شکند و گربه می‌میرد.

راهی برای دیدن داخل جعبه وجود‌ ندارد؛ بنابر‌این نمی‌توانیم متوجه زنده یا مرده‌بودن گربه شویم. تا زمانی‌که در جعبه را باز‌نکرده‌ باشید، وضعیت گربه می‌تواند یکی از این دو حالت باشد. به‌محض اینکه در جعبه را باز می‌کنید، گربه دیگر در هر دو حالت وجود‌ ندارد و تنها یکی از حات‌ها را به‌صورت قطعی به‌خود می‌گیرد.

همه‌ی این ساز‌و‌کار فکری برای نشان‌دادن اصلی به‌نام ابر‌جایگزیدگی کوانتومی (Quantum superposition)است. در این اصل ذره‌ای که می‌تواند اتم، الکترون یا حتی فوتون یا هر ذره‌ی دیگر باشد، می‌تواند در یک لحظه چند حالت مختلف انرژی را به خود احتصاص‌دهد و این وضعیت تا زمانی‌که آن را مشاهده نکنیم به همین شکل باقی می‌ماند.

زمانی‌که عمل مشاهده را انجام‌ دهیم، تغییر انرژی لحظه‌ای و تصادفی این ذره به‌نام پرش کوانتومی شناخته می‌شود.

فیزیکدان‌ها به‌تازگی توانسته‌اند همین پرش کوانتومی را پیش‌بینی و حتی تا‌حدودی کنترل‌ کنند و نتیجه‌ی آن را به خواست خود تغییر‌ دهند. پژوهشگرانی که توسط یک تیم از دانشگاه یل هدایت‌ می‌شوند نیز همین کار را با استفاده از اتم‌ها‌ی مجازی به‌نام کیوبیت (واحد اصلی اطلاعات در یک کامپیوتر کوانتومی) انجام‌ دادند.

هر زمان که روی یک کیوبیت اندازه‌گیری انجام‌دهیم، یک پرش کوانتومی اتفاق می‌افتد.در یک پردازش طولانی، این پرش‌ها پیش‌بینی‌ناپذیر هستند و همین می‌تواند در محاسبات کوانتومی اختلال ایجاد‌ کند.

زلاتکو مینو از دانشگاه یل گفت:

سعی ما بر این بود که بدانیم آیا می‌توان درست قبل از اینکه پرش کوانتومی اتفاق بیفتد یک سیگنال هشدار دریافت‌ کنیم.

تیم پژوهشی، آزمایشی طراحی‌کردند که در آن با استفاده از سه ژنراتور میکروویو، به کیوبیتی که در یک محفظه‌ی سه‌بعدی بسته‌ی آلومینیومی قرار‌ دارد، به‌صورت غیر‌مستقیم پرتو تابیده می‌شود.

تابش میکروویو باعث جا‌به‌جا‌یی حالت انرژی کیوبیت می‌شود. در‌حالی‌که تابش میکروویو دیگر وضعیت محفظه را به‌تصویر می‌کشد. زمانی‌که کیوبیت در حالت پایه‌ی انرژی قرار‌دارد، فوتون‌ها‌ی میکروویو تولید می‌شوند. زمانی‌که فوتون‌ها به‌صورت لحظه‌ای از بین می‌روند (جذب می‌شوند) به این معنی است که کیوبیت در آستانه‌ی پرش کوانتومی به یک حالت بر‌انگیخته قرار‌ دارد.

پژوهش اخیر نشان‌داد که این پرش کوانتومی حتما با انجام گذار چندانی همراه نیست و بیش از آنکه به زدن یک کلید شباهت‌داشته‌باشد، شاید به کشیدن اهرم شباهت داشت.

پس از آشکار‌سازی پرش کوانتومی می‌توان با استفاده از یک پالس نوری تنظیم‌شده کیوبیت را به حالت قبلی خود یعنی به حالت پایه باز‌گرداند. اگر بخواهیم این موضوع را با گربه‌ی شرودینگر توضیح‌دهیم باید بگوییم که با این کار می‌توان گربه را از حالت مرده (بر‌انگیخته) به حالت زنده (حالت پایه) تبدیل‌ کرد.

بااین‌حال، همچنان یک فرایند پیش‌بینی‌ناپذیر بلندمدت وجود‌دارد: برای مثال دانشمندان هنوز دقیقا نمی‌توانند پیش‌بینی کنند که چه‌زمانی پرش کوانتومی اتفاق می‌افتد. پرش کوانتومی می‌تواند در پنج دقیقه یا پنج ساعت اتفاق بیفتد.  اما زمانی‌که یک پرش کوانتومی آغاز‌ شود، همیشه یک فرایند را از سر می‌گذراند. همه‌ی ۶/۸ میلیون پرش کوانتومی بررسی‌شده توسط این تیم پژوهشی، با یکدیگر سازگار‌ بودند.

مینو گفت:

پرش‌ها‌ی کوانتومی یک اتم تقریبا شبیه فوران یک آتش‌فشان است. آن‌ها در مدت زمان طولانی، پیش‌بینی‌ناپذیر هستند. با این وجود، با دیده‌بانی درست از شرایط می‌توان هشدار‌ها‌ی دیگری را قبل از وقوع فاجعه‌ی ناگهانی دریافت‌ کرد و واکنش سریع نشان‌ داد.

دیگر همکاران این پژوهش از قرار زیر هستند: رابرت اسکولکاپف، شانتانو ماندهادا، شیام شنکر و فیلیپ رینهلد، همگی از دانشگاه یل و ریچاردو گاتیرز جورجی از دانشگاه اوکلند و مازیار میر‌رحیمی از مؤسسه‌ی پژوهشی علوم کامپیوتر فرانسه.

این پژوهش که در مجله‌ی Nature منتشر‌شده، توسط دفتر پژوهشی ارتش آمریکا حمایت‌ شده است. پژوهش اخیر، جدیدترین اقدام دانشگاه یل در راستا‌ی کار پژوهش کوانتومی بوده‌ است. دانشمندان این دانشگاه سعی‌ دارند یکی از بهترین و کارآمدترین کامپیوتر‌ها‌ی کوانتومی را بسازند و در این راستا با مدار‌ها‌ی ابر‌رسانا نیز کار‌ کرده‌اند.