پارادوکس کوانتومی در الماس

اگر در هر لحظه از زمان یک تیر را نگاه کنید، دیگر حرکت نمی‌کند همین‌طور در بقیه لحظات نیز چنین است بنابراین تیر هیچ‌وقت به هدف نخواهد رسید. این متناقض‌نما را «زِنو» پنج قرن پیش از میلاد مطرح کرد. اکنون دانشمندان توانسته‌اند نسخه کوانتومی این متناقض‌نما را در الماس مشاهده کنند. آن‌ها اختلال مشاهده‌شده را در تغییر اسپین الکترون‌های درون الماس را به اثر زنو کوانتومی نسبت می‌دهند.

اثری کوانتومی که به یاد یک معمای کهن یونانی نامگذاری شده، در الماس مشاهده گردیده است تا راه استفاده از بلورهای الماس در تراشه‌های رایانه کوانتومی هموار شود.

اثر زنو (Zeno) کوانتومی، نام خود را از فیلسوف یونانی گرفته است که پنج قرن پیش از میلاد زندگی می‌کرد و پیشنهاد داد اگر موقعیت یک تیر درحال پرواز در یک لحظه از زمان قابل تعریف باشد، این تیر در آن لحظه هیچ حرکتی نمی‌کند و بنابراین تیر هرگز به هدف خود نمی‌رسد.

فیزیکدانان الکترون‌های درون یک بلور کوچک الماس را دستکاری کردند تا نسخه کوانتومی این ضرب‌المثل را تحقق بخشند که «ظرفی که دیده می‌شود، نمی‌جوشد».

در نسخه کوانتومی متناقض‌نمای تیر، فیزیکدانان نظری در ۱۹۷۷ فرض کردند که اگر یک سامانه کوانتومی به اندازه کافی اندازه‌گیری شود، حالت آن نمی‌تواند به پیش رود که اگر درست باشد آن‌وقت «ظرف مورد مشاهده اصلا نمی‌جوشد»! این فرضیه از این اصل بنیادین نظریه کوانتومی حاصل می‌شود که اندازه‌گیریِ ویژگیِ یک شی (مانند موقعیت آن)، بر حالت آن شی اثر می گذارد. اثر زنو کوانتومی ابتدا به طور تجربی در ۱۹۸۹ در یون‌های سردشده با لیزری مشاهده شد که توسط میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی به دام افتاده بودند [۱].

اکنون فیزیکدان کوانتومی الیور بنسون (Oliver Benson) و همکارانش در دانشگاه هومبولت (Humboldt University) برلین این اثر را در یک بلور الماس دیده‌اند – ماده‌ای که ساخت بزرگ‌مقیاس آن برای محاسبات کوانتومی آسان‌تر است. این گروه مقاله‌اش را بر روی آرکایو ارسال کرده و برای چاپ در فیزیکال ریویو A نیز پذیرفته شده است [۲].

نوسانات مختل

پژوهشگران بر مراکز نیتروژن-تهی‌جا (NV) تمرکز کردند، یعنی نوعی ناکاملی در الماس که وقتی به وجود می‌آید که یک اتم نیتروژن و یک جای خالی، جایگزین اتم‌های کربن در دو نقطه همسایه شبکه بلوری می‌شوند. این گروه پژوهشی از میکروویو‌ها برای تغییر حالت اسپین مغناطیسی یک الکترون واقع در مرکز NV و سپس از پرتو لیزری استفاده کرد تا نور فلورسنس قرمزی تابش شود؛ به این صورت در هر لحظه می‌توان مشخص کرد الکترون در کدامیک از دو حالت ممکن قرار دارد. وقتی آن‌ها مرکز NV را به این روش اندازه‌گیری کردند، دریافتند که نوسان بین دو حالت مختل شده است – همان‌طور که اگر اثر زنو کوانتومی فعال بود، انتظار داشتیم.

بنسون با اشاره به نظیر کوانتومی گیت‌های منطقی که مدارهای مجتمع را در تراشه رایانه‌های معمول می‌سازند، می‌گوید: «اولین قدم این است که اثر را واقعا ببینیم، اما گام بعدی این است که گیت‌های کوانتومی الماس را اجرا کنیم». در محاسبات کوانتومی، اطلاعات در حالات کوانتومی حامل‌هایی چون فوتون یا نقص‌های الماس ذخیره می‌شوند. اما تاکنون، ناهمدوسی (به دلیل نوفه محیطی) پژوهشگران را از ذخیره بیش از چندبایت اطلاعات کوانتومی در یک الماس بازداشته است. با اندازه‌گیری پیوسته حالات می‌توان آن‌ها را از واپاشی بدون‌کنترل حفظ کرد و به پژوهشگران اجازه داد تا میزان اطلاعات ذخیره‌شده را افزایش دهند.

رولند والسورث (Ronald Walsworth) فیزیکدان اتمی در دانشگاه هاروارد که گروهش این پیشنهاد را مطرح کرده که اثر زنو کوانتومی در الماس عمل می‌کند [۳]، می‌گوید شواهد ما رو به افزایش است، اما قبل از استفاده از الماس برای محاسبات کوانتومی، باید مطمئن شویم که اختلال نوسانات ناشی از فرایند کوانتومی است نه دیگر اثرات.

فیزیکدان کوانتومی رونالد هانسون (Ronald Hanson) که در دانشگاه فناوری دلفت هلند با تهی‌جاهای نیتروژن کار می‌کند؛ می‌گوید آزمایش بنسون به همراه مقاله‌ای در آپریل امسال [۴] نشان می‌دهند که می‌توان اسپین‌های مرکز NV را با ۳ متر فاصله مرتبط کرد. یعنی الماس ماده مناسبی برای محاسبات کوانتومی است. وی می‌گوید: «طی چند سال می‌توان از دام‌های یونی سبقت بگیریم.»

منبع: Quantum paradox seen in diamond

مرجع:

[۱] Quantum Zeno effect

[۲] Observation of the Quantum Zeno Effect on a Single Solid State Spin

[۳] Far-field optical imaging and manipulation of individual spins with nanoscale resolution

[۴] Heralded entanglement between solid-state qubits separated by three meters

به نقل از انجمن فیزیک ایران