دانشمندان توانستند گربه شرودینگر را در سطح کوانتومی ایجاد کنند!

مکانیک کوانتوم اغلب برای عموم مردم به سختی قابل درک است، آن هم به‌ویژه وقتی که صحبت از نظریه «گربه شرودینگر» می‌شود. تئوری گربه شرودینگر یک آزمایش فکری است که سالها ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده است. حالا گروهی از محققین نشان داده‌اند که چگونه گربه معروف شرودینگر می‌تواند براساس اصول کوانتومی زنده و نمرده باشد.

ابتدا اجازه بدهید کمی درباره نظریه گربه شرودینگر توضیح بدهیم. در سال ۱۹۳۵ اروین شرودینگر فیزیکدان نروژی بر روی اصلی به نام «بر هم ‌نهی» (superposition) کار می‌کرد. بر هم نهی، زمانی رخ می‌دهد که دو موج باهم برخورد می‌کنند و بین آنها اندرکنش اتفاق می‌افتد. نتیجه برهم‌کنش آنها نیز بسته به شرایط، ممکن است متفاوت باشد. این اصل، در همه جای دنیای اطراف ما، از امواج آب یک دریاچه گرفته تا هدفون‌های نویز کنسلینگ وجود دارد و قابل مشاهده است.

اما درک این مفهوم در مکانیک کوانتومی کمی سخت است. طبق اصل بر هم نهی کوانتومی، تا زمانی که یک شی کوانتومی مشاهده نشده است می‌تواند به‌طور همزمان در تمام حالت‌های ممکن قرار داشته باشد. بنابراین بر هم نهی به معنای ترکیب تمام حالت‌هایی است که شی می‌تواند از نظر تئوریک در آن‌ها قرار داشته باشد. یعنی ذره تا وقتی که رویت نشده، می‌تواند به‌طور همزمان چندین سرعت داشته باشد و در چندین مکان نیز حضور داشته باشد.

اما از آنجاییکه شرودینگر علاقه‌ای به مکانیک کوانتوم نداشت برای اینکه نشان دهد ایده‌های آن تا چه اندازه مضحک و خنده‌دار است نظریه معروف خود را ارایه کرد.

نظریه گربه شرودینگر به این صورت است که گربه‌ای در محفظه‌ای فلزی محصور شده که در داخل آن، وسایل دیگری از جمله یک شمارشگر گایگر، یک شیشه پر از مواد سمی، یک ماده رادیواکتیو مانند اورانیوم، یک چکش و یک ردیاب الکترونیکی نیز وجود دارد. همانطور که می‌دانید، اتم اورانیوم ناپایدار است و دچار فروپاشی رادیو اکتیو می‌شود. اگر یک اتم اورانیوم فرو بپاشد، توسط شمارشگر گایگر شناسایی می‌گردد. حال، با فروپاشی اتم اورانیوم، یک ردیاب الکترونیکی، چکشی را که به آن وصل است به حرکت در خواهد آورد. چکش هم به نوبه خود، شیشه مواد سمی را خواهد شکست و گربه خواهد مرد. از نظر مکانیک کوانتوم احتمال اینکه گربه داخل جعبه، مرده یا زنده باشد ۵۰-۵۰ است و  برای دانستن موضوع، باید در جعبه را باز کرد و گربه را مشاهده کرد. از نظر شرودینگر تصور گربه‌ای که نه مرده باشد و نه زنده، بسیار مضحک است. اما فیزیکدانان زیادی از آن زمان تابه‌حال، نظریه او را  مثل او نمی‌نگریستند. حالا در جدیدترین مطالعه‌ای که در این‌باره انجام شده، تیمی از محققین آلمانی، ایتالیایی و آمریکایی یک آزمایش واقعی با بیست کیوبیت (واحد اطلاعات کوانتومی، شبیه به اعداد ۰ یا ۱ در یک بیت باینری) انجام داده‌اند تا نشان دهند گربه معروف داخل جعبه هم می‌تواند زنده باشد و هم مرده.

گربه شرودینگر

همانطور که احتمالا می‌دانید، بیت‌های باینری فقط به صورت خطی قابل پردازش هستند؛ برای مثال یک ۰ بعد از یک ۱ خوانده می‌شود و همینطور به طور خطی و پشت‌سرهم ادامه می‌یابد. اما در مکانیک کوانتومی این‌طور نیست و کیوبیت‌ها می‌توانند در یک حالت بر هم نهی قرار بگیرند و این همان چیزی است که محققین به دنبال بررسی آن هستند. جالب است بدانید که با بیست کیوبیت، بیش از یک میلیون حالت بر هم نهی وجود خواهد داشت.

Jian Cui، که از اعضای گروه و فیزیکدانی در موسسه Peter Grünberg است، در یک بیانیه مطبوعاتی گفته که بررسی کیوبیت‌ها در حالت بر هم نهی گربه شرودینگر، جهت توسعه تکنولوژی‌های کوانتومی بسیار با اهمیت است. او اظهار داشته که مسیر توسعه کامپیوترهای کوانتومی آینده، از حالت‌های بر هم نهی می‌گذرد.

در تحقیق مذکور، بیست بیت کوانتومیِ درهم‌تنیده (entangled)، در یک حالت بر هم نهی قرار داده شدند. بیشترین تعداد کیوبیت‌هایی که قبلا طی یک کار تحقیقاتی در این وضعیت قرار داده شده‌‌اند، ۱۴ بیت بوده که به سال ۲۰۱۱ برمی‌گردد. محققین در ادامه آزمایش، از پرتوهای لیزر دستگاهی به نام انبرک نوری (optical tweezers) برای به دام انداختن تک‌تک اتم‌ها استفاده کردند. آنها سپس به کمک لیزر دیگری، اتم‌های به دام افتاده را تا زمان رسیدن آنها به حالت اتم ریدبرگ برانگیخته کردند. برای کسانی که نمی‌دانند اتم ریدبرگ چیست باید بگوییم که در فیزیک اتمی می‌توان یک اتم خاص را به گونه‌ای ایجاد کرد که در آن تنها یک تک الکترون در حالت برانگیخته و در فاصله‌ای بسیار دورتر از حد معمول به دور هسته آن بچرخد. به این اتم، اتم ریدبرگ گفته می‌شود.

اما نتیجه آزمایش تیم تحقیقاتی، این شد که آنها توانستند در یک پروسه بسیار پیچیده و طاقت‌فرسا و با استفاده از بر هم نهی بیست بیت کوانتومیِ درهم‌تنیده، به حالت‌های اتمی گربه شرودینگر دست یابند.

این برای اولین بار در سال جاری نیست که دانشمندان درباره معمای گربه شرودینگر تحقیق می‌کنند. اوایل امسال نیز تیمی از دانشگاه ییل آمریکا اعلان کردند که به روشی برای نجات گربه داخل محفظه دست یافته‌اند.

ممکن است شما دوست داشته باشید
نوشتن دیدگاه

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

دیدگاه شما پس از بررسی توسط تحریریه منتشر خواهد شد.

اینستاگرام آی‌تی‌رسان