سالِ هایلایت‌های کوانتومی

منتشر‌ شده در: physics world به تاریخ ۲۷ دسامبر ۲۰۲۰
لینک منبع: A year of quantum highlights

شیوع این بیماری پاندمی و همه‌گیر در سال آینده در صدر فهرست افراد مورد علاقه قرار نخواهد گرفت، اما با نگاهی گذرا به جنبه روشن آن، تا سال ۲۰۲۰ شاهد پیشرفت‌های قابل‌توجهی در علم و فن‌آوری کوانتوم بوده‌است. در اینجا برخی از نکات برجسته از زمینه‌های فرعی اعم از اصول کوانتومی تا محاسبات کوانتومی آورده شده‌است.

یک دماسنج چقدر دقیق می‌تواند باشد؟ در ماه ژانویه، Jukka Pekkola, Bayan Karimi و همکارانش در دانشگاه آلتو، فنلاند، و دانشگاه لوند سوئد با ساخت یک دستگاه در مقیاس نانو که بتواند نوسانات اساسی در دمای الکترون یک نمونه را تشخیص دهد، پاسخ را یافتند. سطح نویز در دماسنج آن‌ها به قدری پایین است که آن‌ها می‌توانند تغییر انرژی را به دلیل انتشار یک فوتون مایکروویو تنها تشخیص دهند-همه بدون اینکه سیستم را مختل کنند. توانایی تشخیص چنین تغییرات کوچک دمایی می‌تواند پیشرفت‌ها در فیزیک بنیادی را ممکن سازد و این «کالری متر کوانتومی» نیز ممکن است برای اندازه‌گیری‌های غیر تهاجمی سیستم‌های کوانتومی مانند کیوبیت ها در کامپیوترهای کوانتومی ابررسانا مورد استفاده قرار گیرد.

گرفتار شدن در شرایط «گرم و آشفته»

«همه می‌دانند» که درهم‌تنیدگی کوانتومی یک پدیده ظریف است که تنها در محیط‌های با نویز بسیار پایین و مافوق صوت باقی می‌ماند. و معمولا، «همه» درست است. اما در ماه ژوئن، فیزیکدانان در ICFO در بارسلونا، اسپانیا از تکنیکی به نام اندازه‌گیری بدون تخریب کوانتومی استفاده کردند تا نشان دهند که حداقل ۱.۵۲ * ۱۰۱۳ از اتم‌های روبیدیم ۵.۳۲ * ۱۰۱۳ در نمونه ۴۵۰ کلوین آن‌ها در واقع گرفتار شده‌اند. این تیم، به رهبری Morgan Mitchell و Jia Kong، همچنین نشان داد که این درگیری غیر محلی بود، به این معنی که شامل اتم‌هایی می‌شد که به هم نزدیک نبودند. علاوه بر فرضیات چالش برانگیز در مورد آنچه که درهم‌تنیدگی به نظر می‌رسد، این یافته می‌تواند برای فن‌آوری‌های حسی مانند مغنناطیس‌سنجش‌های عاری از فاز بخار (SerF) که براساس کوانتوم‌های داغ و متراکم اتم‌ها هستند، مهم باشد.

با پیچیده‌تر شدن مدارهای کوانتومی، عناصر درون آن‌ها نیز پیچیده‌تر می‌شوند. در ماه ژوئن، فیزیکدانان موسسه Nanoscience NEST-CNR در پیزا و دانشگاه سالرنو ایتالیا اولین باتری فاز کوانتومی را نشان دادند: وسیله‌ای که بایاس فاز پایداری را برای تابع موج یک مدار کوانتومی فراهم می‌کند، مشابه روشی که یک باتری معمولی بایاس ولتاژ پایداری را برای یک مدار الکتریکی فراهم می‌کند. ابزاری که Francesco Giazotto, Elia Strambini, Andrea Iorio و همکارانش از نانوسیم های InAs و سرنخ‌های فوق هادی هوش مصنوعی ساخته‌اند، مبتنی بر یک مفهوم نظری است که تنها پنج سال پیش توسط فیزیکدانان در اسپانیا توسعه‌یافته است-یک چرخش سریع که نشان می‌دهد این زمینه چقدر سریع در حال پیشرفت است.

اندازه‌گیری زمان تونل سازی کوانتومی

یک ذره چقدر طول می‌کشد تا از سد انرژی عبور کند؟ برای فیزیکدانان در اولین «عصر طلایی» مکانیک کوانتومی، که در حین بازی با معادله شرودینگر در اواسط دهه ۱۹۲۰ با تونل زدن دست و پنجه نرم می‌کردند، این سوال عجیب به نظر می‌رسید. با این حال، این پیشرفت در اصول کوانتومی است که ما اکنون پاسخی داریم. در ماه جولای ، فیزیكدانان به سرپرستی Aephraim Steinberg از دانشگاه تورنتو ، كانادا دریافتند كه اتم‌های روبیدیوم ۸۷ فوق العاده سرد ۰.۶۲ میلی ثانیه را با عبور از سد ۱۰ هزار برابر عرض قطر خود صرف می كنند. در حالی که Steinberg اذعان دارد که تعریف تیم او از زمان تونل زنی تنها تعریف موجود نیست، آزمایش آن‌ها نور بسیار مورد نیاز را بر روی پدیده‌ای که علی‌رغم دروغ گفتن در قلب فن‌آوری‌های عملی مانند اسکن میکروسکوپ‌های تونل زنی و حافظه فلش هنوز به خوبی درک نشده است، تامین می‌کند.

مزیت کوانتومی در یک مدار نوری

در سپتامبر ۲۰۱۹، متخصصان محاسبات کوانتومی در گوگل اعلام کردند که از پردازنده Sycamore خود برای حل یک مساله بیش از یک میلیارد برابر سریع‌تر از ابرکامپیوتر کلاسیک استفاده کرده‌اند. در عرض چند هفته، متخصصان رقیب در IBM بر سر این ادعا آب سرد می‌ریختند، و این نشان می‌داد که ارتقا بیشتر شبیه به یک فاکتور ۱۰۰۰ بود (که هنوز هم تاثیرگذار است). در اواخر سال ۲۰۲۰، جستجو برای «مزیت کوانتومی» بار دیگر در سرخط خبرها قرار گرفت، چرا که محققان به رهبری جیان-وی پن و چاو-یانگ لو در دانشگاه علم و فن‌آوری چین در هفی اعلام کردند که محاسبات کوانتومی به نام بوزون گاوسی را ۱۰۰ تریلیون بار سریع‌تر از یک ابرکامپیوتر انجام داده‌اند. قابل‌ذکر است که Pan و Lu مدار کوانتومی خود را با استفاده از عناصر نوری به جای عناصر ابررسانا ساختند. نتیجه یک کار هنری و همچنین علم است، با ۱۰۰ ورودی و ۱۰۰ خروجی تولید شده توسط ۳۰۰ پرتو پراکنده ساز و ۷۵ آینه مرتب شده به روش تصادفی.

این که چنین سیستمی را بتوان مقیاس بندی کرد یا نه، یک سوال باز است، اما این سوال نیز هست که منحصر به تکنولوژی‌های نوری نیست. در یک سال که بسیاری از ما دوست داریم فراموش کنیم (و قطعا نمی‌خواهیم دوباره زنده شویم) ، پیشرفت‌هایی مانند این-مانند دیگران در لیست ما-ارزش تشویق کردن را دارند.

این متن با استفاده از ربات ترجمه مقاله فیزیک ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.