تلاقی اینترنت کوانتومی با فضا-زمان در یک ایده مبتکرانه_صبح سریع

شبکه کوانتومی به شدت در سراسر جهان در حال گسترش است. این فناوری کوانتومی کلیدی، برقراری اینترنت کوانتومی جهانی را ممکن می‌سازد که توانایی استقرار ارتباطات امن در مقیاس بزرگ و اتصال رایانه‌های کوانتومی در سطح جهان است. رقابت برای تحقق این دیدگاه، چه در زمین و چه در فضا در جریان است.

به نقل از اوراسیا ریویو، یک پژوهش تازه که با همکاری «ایگور پیکوفسکی»(Igor Pikovski) از «موسسه فناوری استیونز»( Stevens Institute of Technology)، «جیکوب کاوی»(Jacob Covey) از «دانشگاه ایلینوی در اوربانا-شمپین»( U of I) و «یوهانس بورگارد»(Johannes Borregaard) از «دانشگاه هاروارد»( Harvard University) گسترش یافته است، مشخص می کند که شبکه‌های کوانتومی از آنچه پیشتر فکر می‌شد، همه‌کاره‌تر می باشند. پژوهشگران در این پروژه نشان دادند که این فناوری می‌تواند بازدید کند چطور فضا-زمان خمیده بر نظریه کوانتومی تأثیر می‌گذارد و اولین آزمایش از این نوع را انجام دادند.

فیزیک کوانتومی تا بحال از هر آزمایشی با افتخار عبور کرده اما این که هنگامی نظریه نسبیت عام «آلبرت اینشتین» داخل عمل می‌شود چطور حرکت می‌کند، کمتر اشکار است. در نظریه انیشتین، گرانش دیگر یک نیرو نیست، بلکه نتیجه تحول فضا و زمان (فضا-زمان خمیده) است. این کار به اثرات منحصر به فردی همانند کند شدن زمان در نزدیکی سیارات منجر می‌شود. این اتفاق با دقت زیاد بالایی بازدید و قبول شده و این چنین در فیلم‌ها و رمان‌های علمی-تخیلی ترویج یافته است اما این جریان متغیر زمان چطور بر مکانیک کوانتومی تأثیر می‌گذارد؟ آیا نظریه کوانتومی یا نسبیت عام یا هر دو در جایی که در هم تنیده خواهد شد، نیاز به اصلاح دارند؟ اگرچه تا این مدت یک نظریه کامل از گرانش کوانتومی وجود ندارد اما پیشنهادهایی نقل شده مبنی بر این که اصول کوانتومی امکان پذیر در وجود فضا-زمان خمیده تحول کنند. با وجود این، بازدید این مرز تا بحال در آزمایش‌ها غیرممکن بوده است.

پیکوفسکی و بورگارد در پژوهش قبل خود با گفتن «آزمایش نظریه کوانتومی بر فضا-زمان خمیده با شبکه‌های کوانتومی» که در ۲۷ مه در مجله «Physical Review Research» به چاپ رسید، نشان دادند که زمان آزمایش‌هایی برای بازدید این سؤالات با منفعت گیری از شبکه‌های کوانتومی فرا رسیده است. آنها نشان دادند که چطور دو ویژگی منحصر به فرد اما نزدیک نظریه کوانتومی و گرانش به طور همزمان نقش ایفا می‌کنند.

در نظریه کوانتومی، برهم‌نهی‌هایی وجود دارد که در آنها ماده نه تنها می‌تواند در حالت‌های قطعی خاص، بلکه در مخلوط‌هایی از آنها نیز به طور همزمان وجود داشته باشد. محاسبات کوانتومی از این حقیقت برای ساخت کیوبیت‌ها – برهم‌نهی بیت‌های ۰ و ۱ – منفعت می‌برد. شبکه‌های کوانتومی می‌توانند این چنین کیوبیت‌هایی را در فواصل زیاد پخش کنند اما در مجاورت زمین، این کیوبیت‌ها نیز تحت تأثیر فضا-زمان خمیده قرار می‌گیرند چون خود جریان زمان تحول می‌کند. پژوهشگران نشان دادند که برهم‌نهی ساعت‌های اتمی در شبکه‌های کوانتومی، جریان‌های وقتی متغیری را در برهم‌نهی انتخاب می‌کنند و این کار دریچه‌ای را برای بازدید چگونگی درهم‌تنیدگی نظریه کوانتومی و فضا-زمان خمیده می‌گشاید.

پیکوفسکی او گفت: تعامل بین نظریه کوانتومی و گرانش، یکی از چالش‌برانگیزترین مسائل فیزیک امروز به حساب می اید اما در عین حال دلنشین است. شبکه‌های کوانتومی به ما پشتیبانی می‌کنند تا این تعامل را برای اولین بار در آزمایش‌های واقعی بازدید کنیم.

پیکوفسکی و بورگارد با همکاری آزمایشگاه کاوی، یک پروتکل اشکار تشکیل کردند. آنها نشان دادند که چطور می‌توان اثرات کوانتومی را با منفعت گیری از حالت‌های W درهم‌تنیده در گره‌های شبکه توزیع کرد و چطور تداخل بین این سیستم‌های درهم‌تنیده ثبت می‌شود. با منفعت‌برداری از قابلیت‌های کوانتومی مدرن همانند تله‌پورت کوانتومی (انتقال حالت کوانتومی یک ذره به ذره دیگر) و جفت‌های بل درهم‌تنیده (حالت‌های حداکثر درهم‌تنیده دو کیوبیت) در آرایه‌های اتمی می‌توان به آزمایشی از نظریه کوانتومی روی فضا-زمان خمیده دست یافت.

پیکوفسکی در ادامه گفت: ما معتقدیم که نظریه کوانتومی در همه جا برقرار است اما واقعاً نمی‌دانیم که آیا این درست است یا خیر. گرانش امکان پذیر نحوه کارکرد مکانیک کوانتومی را تحول دهد. در واقع، برخی از نظریه‌ها این چنین اصلاحاتی را نظر می‌کنند و فناوری کوانتومی قادر به آزمایش آنها خواهد می بود.

نتایج پژوهش پیکوفسکی، کاوی و بورگارد مشخص می کند که شبکه‌های کوانتومی نه تنها یک ابزار عملی سودمند برای اینترنت کوانتومی آینده می باشند، بلکه زمان‌های منحصر به فردی را برای مطالعه فیزیک بنیادی فراهم می‌کنند که با حسگر کلاسیک قابل دستیابی نیست. حداقل، اکنون آزمایش نحوه حرکت مکانیک کوانتومی روی فضا-زمان خمیده مقدور است.

این پژوهش در مجله «PRX Quantum» به چاپ رسید.