ایده‌ای نو، پل ارتباطی گرانش و اینترنت کوانتومی

دانشمندان نشان داده‌اند که شبکه‌های کوانتومی ساعت‌ها روش جدیدی برای بررسی تعامل میان مکانیک کوانتومی و فضا-زمان منحنی ارائه می‌دهند.

شبکه‌های کوانتومی در حال پیشرفت سریع در سراسر جهان هستند. به‌عنوان یک فناوری بنیادین در حوزه علمی نوظهور کوانتوم، این شبکه‌ها وعده ایجاد اینترنت کوانتومی جهانی را می‌دهند. چنین سیستمی امکان برقراری ارتباط امن در مقیاس وسیع را فراهم می‌آورد و اتصال کامپیوترهای کوانتومی را در فواصل وسیع ممکن می‌سازد. تلاش‌ها برای تبدیل این رؤیا به واقعیت در حال حاضر هم در سطح زمین و هم در مدار در حال پیشرفت است.

در یک دستاورد اخیر، محققان کشف کرده‌اند که شبکه‌های کوانتومی ممکن است قابلیت‌هایی فراتر از ارتباطات امن داشته باشند. یک مطالعه همکاری که توسط ایگور پیکوفسکی از موسسه فناوری استیونز، به همراه جیکوب کووی از دانشگاه ایلینوی در اوربانا-شمپاین و یوهانس بوره‌گارد از دانشگاه هاروارد هدایت شد، امکان علمی جدیدی را گشوده است. نتایج این تحقیق که در مجله PRX Quantum منتشر شده، نشان می‌دهد که شبکه‌های کوانتومی می‌توانند برای بررسی تأثیر انحنای فضا-زمان بر مکانیک کوانتومی استفاده شوند. این رویکرد، اولین آزمایش تجربی از نوع خود به شمار می‌رود.

در حالی که نظریه کوانتوم همواره در برابر آزمایش‌های تجربی مقاومت کرده است، رفتار آن در حضور گرانش همچنان نامعلوم باقی مانده است. نظریه گرانش عمومی اینشتین گرانش را نه به‌عنوان یک نیروی جداگانه، بلکه به‌عنوان نتیجه انحنای فضا و زمان تعریف کرد، مفهومی که به‌عنوان فضا-زمان منحنی شناخته می‌شود. این انحنا اثرات عجیبی به همراه دارد، مانند کند شدن زمان در نزدیکی اجسام سنگین مانند سیارات. این اثرات با دقت بالایی تأیید شده‌اند و همچنین از طریق داستان‌های علمی تخیلی، از جمله فیلم Interstellar به فرهنگ عمومی راه یافته‌اند.

اما چگونه جریان تغییر یافته زمان بر مکانیک کوانتومی تأثیر می‌گذارد؟ آیا نظریه کوانتوم یا نظریه نسبیت عام، یا هر دو، نیاز به اصلاح دارند زمانی که درهم تنیده می‌شوند؟ در حالی که یک نظریه کامل از گرانش کوانتومی هنوز وجود ندارد، پیشنهاداتی مطرح شده که اصول کوانتومی ممکن است در حضور فضا-زمان منحنی تغییر کنند. با این حال، بررسی این مرزهای علمی تا کنون در آزمایش‌ها غیرممکن بوده است.

رویکردی جدید با استفاده از شبکه‌های کوانتومی

در یک مطالعه پیشین که در Physical Review Research منتشر شد، پیکوفسکی و بوره‌گارد نشان داده‌اند که اکنون زمان مناسبی برای آزمایش‌ها به منظور بررسی این سوالات با استفاده از شبکه‌های کوانتومی فرا رسیده است. آنها نشان دادند که چگونه دو ویژگی منحصربه‌فرد اما متفاوت از نظریه کوانتوم و گرانش همزمان وارد عمل می‌شوند.

در نظریه کوانتوم، ابرپوزیشن‌ها وجود دارند: ماده می‌تواند نه تنها در حالت‌های خاص و معین، بلکه در ترکیب‌هایی از آنها به طور همزمان وجود داشته باشد. محاسبات کوانتومی از این ویژگی برای ساخت کیوبیت‌ها ابرپوزیشن‌هایی از بیت‌های ۰ و ۱ بهره می‌برد. سپس شبکه‌های کوانتومی می‌توانند این کیوبیت‌ها را در فواصل وسیع پخش کنند. اما در نزدیکی زمین، این کیوبیت‌ها تحت تأثیر فضا-زمان منحنی قرار می‌گیرند زیرا جریان زمان خود تغییر می‌کند. محققان نشان دادند که ابرپوزیشن‌های ساعت‌های اتمی در شبکه‌های کوانتومی جریان‌های زمانی مختلف را در خود جذب می‌کنند و این امر درها را برای بررسی چگونگی درهم تنیده شدن نظریه کوانتوم و فضا-زمان منحنی باز می‌کند.

«تعامل میان نظریه کوانتوم و گرانش یکی از چالش‌برانگیزترین مسائل فیزیک امروز است، اما در عین حال جذاب نیز هست»، می‌گوید ایگور پیکوفسکی، استاد جوان گروه جفری اس. اینمن در موسسه فناوری استیونز و یکی از نویسندگان این تحقیق. «شبکه‌های کوانتومی به ما کمک خواهند کرد تا این تعامل را برای اولین بار در آزمایش‌های واقعی بررسی کنیم.»

پیکوفسکی و بوره‌گارد سپس با همکاری آزمایشگاه کووی پروتکلی مشخص را توسعه دادند. تیم نشان داد که چگونه اثرات کوانتومی می‌توانند از طریق گره‌های شبکه با استفاده از آنچه که به‌عنوان حالت‌های درهم‌تنیده W شناخته می‌شوند، توزیع شوند و چگونگی ثبت تداخل بین این سیستم‌های درهم‌تنیده. با بهره‌گیری از قابلیت‌های مدرن کوانتومی مانند تلپورتیشن کوانتومی (انتقال وضعیت کوانتومی یک ذره به ذره دیگر) و جفت‌های بل درهم‌تنیده (حالات درهم‌تنیده حداکثری از دو کیوبیت) در آرایه‌های اتمی، آزمودن نظریه کوانتوم در فضا-زمان منحنی ممکن خواهد بود.

بازنگری در نقش شبکه‌های کوانتومی

«ما فرض می‌کنیم که نظریه کوانتوم در همه جا صادق است، اما واقعاً نمی‌دانیم که آیا این درست است یا نه»، می‌گوید پیکوفسکی. «ممکن است گرانش نحوه عملکرد مکانیک کوانتومی را تغییر دهد. در واقع، برخی نظریه‌ها چنین تغییراتی را پیشنهاد می‌کنند و فناوری کوانتومی قادر خواهد بود آن را آزمایش کند.»

نتایج پیکوفسکی، کووی و بوره‌گارد نشان می‌دهند که شبکه‌های کوانتومی نه تنها ابزاری مفید برای اینترنت کوانتومی آینده هستند، بلکه فرصت‌های منحصربه‌فردی برای مطالعه فیزیک بنیادی فراهم می‌آورند که با حسگرهای کلاسیک قابل دستیابی نیست. حداقل، اکنون آزمایشی برای بررسی نحوه رفتار مکانیک کوانتومی در فضا-زمان منحنی ممکن است.

منبع خبر : scitechdaily.com