دانشمندان به درهم‌تنیدگی کوانتومی ۱۰ ثانیه‌ای دست یافتند

دانشمندان دانشگاه آکسفورد با استفاده از دو اتم مختلف (استرانسیوم و کلسیم)، یک شبکه کوانتومی ایجاد کردند و به رکورد زمان درهم‌تنیدگی ۱۰ ثانیه‌ای دست یافتند. این دستاورد، راه را برای زمان‌های درهم‌تنیدگی طولانی‌تر بین اتم‌ها هموار می‌کند که در توسعه شبکه‌های رایانش یا محاسبات کوانتومی توزیع‌شده بسیار مهم است.

درهم‌تنیدگی کوانتومی (Quantum Entanglement) یک خاصیت کوانتومی است که دو ذرّه مختلف را به هم مرتبط می‌کند، به طوری که اگر یکی را اندازه‌گیری کنید، به‌طور خودکار و فوراً، فارغ از اینکه چقدر از هم فاصله دارند، از وضعیت دیگری هم مطلع می‌شوید. درهم‌تنیدگی هنگامی رخ می‌دهد که گروهی از ذرات تولید شده، برهمکنش می‌کنند یا در مجاورت فضایی (مکانی) قرار می‌گیرند، به گونه‌ای که حالت کوانتومی هیچ ذرّه درون گروه را نتوان به‌طور مستقل از حالت سایر ذرات توصیف نمود.

این حالت وقتی که ذرات در فاصله زیاد از یکدیگر قرار داشته باشند نیز رخ می‌دهد. موضوع درهم‌تنیدگی کوانتومی در قلب ناهم‌خوانی بین فیزیک کلاسیک و کوانتومی قرار دارد.

درهم‌تنیدگی یکی از ویژگی‌های اصلی مکانیک کوانتومی است که مکانیک کلاسیک فاقد آن می‌باشد. یکی از امیدوارکننده‌ترین پیشرفت‌ها در فیزیک کوانتومی، توسعه فناوری‌های رایانش کوانتومی است.

رایانه‌های کوانتومی از بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها برای ذخیره و پردازش اطلاعات استفاده می‌کنند. برخلاف بیت‌های کلاسیک که می‌توانند مقادیر ۰ یا ۱ را ذخیره کنند، کیوبیت‌ها می‌توانند چندین مقدار بین ۰ و ۱ را ذخیره کرده و همزمان از آنها برای پردازش اطلاعات استفاده کنند.

کیوبیت‌ها یک رویکرد نمایی برای پردازش مقادیر زیادی از داده‌ها ارائه می‌دهند که می‌تواند به حل مسائلی کمک کند که حتی سریع‌ترین ابررایانه‌های امروزی نیز برای حل آنها به دهه‌ها زمان نیاز دارند. بنابراین، رایان‌های کوانتومی مرز بعدی رایانش در نظر گرفته می‌شوند.

با این حال، یکی از اجزای حیاتی رایانش کوانتومی مقیاس‌پذیر، درهم‌تنیدگی کوانتومی است. چرا درهم‌تنیدگی مهم است؟

اگرچه یک کیوبیت می‌تواند چندین مقدار را به طور همزمان ذخیره کند، اما کاربرد واقعی آن در اتصال به چندین کیوبیت دیگر نهفته است که امکان بررسی تعداد زیادی از همبستگی‌ها را به طور همزمان فراهم می‌کند. این امر تنها زمانی امکان‌پذیر است که یک کیوبیت با کیوبیت دیگر درهم‌تنیده باشد، یعنی وضعیت یکی، وضعیت دیگری را تعیین می‌کند، حتی اگر از نظر فیزیکی به هم متصل نباشند.

درهم‌تنیدگی همچنین به ساخت دروازه‌های منطقی چند کیوبیتی کمک می‌کند و به کیوبیت‌ها اجازه می‌دهد تا پویاتر از واحدهای استاندارد که به طور طبیعی منزوی‌تر هستند، تعامل داشته باشند. همچنین به رایانه‌های کوانتومی اجازه می‌دهد تا ساختارهای داده پیچیده‌تری را در محاسبات خود مدیریت کنند و برخی از سخت‌ترین مسائلی را که جهان به خود دیده است، حل کنند.

از همه مهم‌تر اینکه درهم‌تنیدگی به دورنوردی(تله‌پورت) کوانتومی و پردازنده‌های کوانتومی مختلف اجازه می‌دهد تا اطلاعات را بدون به اشتراک گذاشتن کیوبیت‌ها به اشتراک بگذارند. این امر ساخت یک زیرساخت کوانتومی توزیع‌شده را تسهیل می‌کند و در نتیجه به ایجاد قابلیت‌های محاسبات کوانتومی در مقیاس بزرگ کمک می‌کند.

تحقیقات آکسفورد چگونه کمک خواهد کرد؟ محققان دانشگاه آکسفورد در آزمایش‌های خود از یک اتم استرانسیوم و یک اتم کلسیم استفاده کردند و هر یک از آنها را در دو مکان مختلف قرار دادند.

در حالی که نور، اتم‌های استرانسیوم را به هم متصل می‌کند، این تیم از عملیات محلی برای گسترش درهم‌تنیدگی کوانتومی به اتم‌های کلسیم نیز استفاده کرد و یک حالت کوانتومی مشترک شامل هر چهار اتم ایجاد کرد. دلیل استفاده محققان از کلسیم در این چیدمان این است که نسبت به استرانسیوم حساسیت کمتری به نویز مغناطیسی دارد و می‌تواند برای حفظ حالت کوانتومی برای مدت طولانی‌تری مورد استفاده قرار گیرد.

دوگال مین(Dougal Main)، پژوهشگر دانشگاه آکسفورد در یک بیانیه مطبوعاتی گفت: انواع مختلف اتم‌ها مزایا و معایب مختلفی را برای کاربردهای کوانتومی ارائه می‌دهند. داشتن بیش از یک نوع در رایانه کوانتومی شما به شما امکان می‌دهد از هر کدام بهترین استفاده را ببرید.

محققان با حفظ درهم‌تنیدگی کوانتومی به مدت 10 ثانیه در مقایسه با چند میلی‌ثانیه که با همان مجموعه اتم‌ها به دست می‌آید، مزیت استفاده از اتم‌های مختلف را نشان دادند. گابریل آراندا(Gabriel Araneda)، پژوهشگر دانشگاه آکسفورد که در این مطالعه مشارکت داشت، در یک بیانیه مطبوعاتی گفت: این می‌تواند به مفید بودن شبکه‌های کوانتومی آینده برای کارهایی که به چندین اتم دور برای به اشتراک گذاشتن و حفظ حالت کوانتومی یکسان نیاز دارند، کمک کند.

وی افزود: این می‌تواند شامل رایانش کوانتومی، اندازه‌گیری‌های حساس‌تر انجام‌شده در مکان‌های دورافتاده و مقایسه بین انواع مختلف ساعت‌های اتمی باشد. محققان این یافته‌ها را در مجله Physical Review Letters منتشر کردند.