رمزگشایی کوانتوم: اینجا، آنجا و همه جا است

اخیراً، احتمالاً کلمه “کوانتوم” را در همه جا دیده اید – در محاسبات، در نام شرکت های فناوری، و شاید حتی برای توضیح عشق و آگاهی.

بنابراین … کوانتوم چیست؟ فناوری کوانتومی چیست؟ و آیا ارزش این همه تبلیغات را دارد؟

اول از همه، کوانتوم چیست؟

کوانتوم که اغلب مکانیک کوانتومی نامیده می شود، به ماهیت دانه ای و فازی جهان و رفتار فیزیکی کوچکترین ذرات آن می پردازد.

ایده دانه بندی فیزیکی مانند تصویر تلویزیون شماست. اگر روی تصویر زوم کنید، خواهید دید که از پیکسل های جداگانه ساخته شده است. دنیای کوانتومی نیز مشابه است. اگر روی جزئیات ماده زوم کنید، در نهایت واحدهای اولیه ماده و انرژی را با ویژگی های منحصر به فرد خود خواهید دید.

در دنیای فیزیکی، ماده از اتم ها به عنوان اجزای سازنده تشکیل شده است. اتم ها به نوبه خود از الکترون هایی تشکیل شده اند که یک هسته را احاطه کرده اند. ذرات هسته ای مانند پروتون ها و نوترون ها از کوارک ها تشکیل شده اند.

اگر به یک پیکسل جداگانه نگاه کنید، تقریباً چیزی در مورد تصویر بزرگتر نمی دانید. با این حال، پیکسل ها که با هم کار می کنند می توانند پیچیدگی زیادی در رنگ، شکل و حتی حرکت فقط از رنگ پیکسل ها ایجاد کنند: قرمز، آبی، سبز و خاموش. همین امر در مورد بلوک های سازنده کوانتومی در فیزیک نیز صادق است.

طعم کوانتومی چگونه است؟

در واقع، خواص همه مواد توسط فیزیک کوانتومی تعریف می شود. این به این دلیل است که نیروهای فیزیکی موجود در اتم که آن را به یکدیگر متصل می‌کنند – از جمله خواص کوانتومی ذرات بنیادی درون اتم – ساختار فیزیکی و الکترونیکی اتم‌های منفرد را تعیین می‌کنند.

به طور خاص، نحوه توزیع بار الکترونیکی در اتم، خواص الکتریکی اتم را تعیین می کند. خواص الکترونیکی اتم تعیین می کند که چگونه اتم ها به اتم های دیگر پیوند می خورند تا مولکول ایجاد کنند.

اتم هایی با خواص الکترونیکی مشابه در همان ستون فهرست شده اند جدول تناوبی، که شیمی آن عناصر را توصیف می کند. ساختار الکتریکی مولکول‌ها تصمیم می‌گیرد که مولکول‌ها چگونه کار می‌کنند و به یکدیگر پیوند می‌دهند تا مواد پیچیده‌تری مانند فلزات، مایعات، گازها و ترکیبات آلی ایجاد کنند. این حتی شامل … شما نیز می شود! بله، شما کوانتومی هستید!

بنابراین، زمانی که ما مواد را تجربه می کنیم – نحوه احساس، بو و ظاهر آنها – ویژگی های کلی آنها توسط ساختار فیزیکی بلوک های سازنده عنصری کوانتومی و خواص الکتریکی آنها تعیین می شود. ما اساساً میدان های الکترومغناطیسی ماده را می چشیم، می بینیم و احساس می کنیم!

کوانتوم از کجا آمد؟

در حالی که ممکن است اخیراً چیزهای زیادی در مورد آن بشنوید، فیزیک کوانتومی چیز جدیدی نیست. در اوایل دهه 1900 عمیقاً کاوش و توسعه یافت. این ماهیت کوانتومی جهان ما زمانی کشف شد که مدل های ریاضی آن روز با مشاهدات فیزیکی مطابقت نداشتند.

جالب اینکه، فوتون هایا ذرات نور توسط دانشمندانی کشف شد که در تلاش برای درک شدت نسبی رنگ های مختلف ساطع شده توسط لامپ تازه اختراع شده بودند. در واقع یک کشف عملی بود!

در نهایت، دانشمندان دریافتند که فیزیک در مقیاس ذرات بنیادی – و در بهترین مقیاس‌های انرژی، فضا و زمان – دارای ویژگی‌ها و رفتارهای متفاوتی نسبت به اشیایی است که ما در زندگی معمولی با آنها تعامل داریم، مانند توپ‌های بیس‌بال یا ماشین‌ها. همانطور که قبلا ذکر شد، این کشف یک جهان دانه ای با رفتارهای ناشناخته، مانند برهم نهی، درهم تنیدگی و کوانتوم بود.

این ماهیت جدید مکانیک کوانتومی است که فن‌آوران سعی دارند از آن برای پیشرفت فناوری در محاسبات، ارتباطات، سنجش و رمزنگاری استفاده کنند.

چرا اینقدر هیپ وجود دارد؟

در حالی که بیش از یک قرن است که درباره مکانیک کوانتومی می‌دانیم، فناوری مرتبط با کوانتوم در سال‌های اخیر به سرعت پیشرفت کرده است. در حال حاضر پول زیادی روی فناوری های کوانتومی سرمایه گذاری می شود.

در سال 2022، دولت ایالات متحده 1.8 میلیارد دلار بودجه برای تحقیق و توسعه کوانتومی متعهد شد. سرمایه گذاری خصوصی در فناوری کوانتومی در ایالات متحده در دو سال گذشته نزدیک به 5 میلیارد دلار بوده است.

در حالی که ممکن است به نظر پول زیادی برسد، طبق برخی گزارش ها، چین متعهد شده است 15 میلیارد دلار و اتحادیه اروپا بیش از 7 میلیارد دلار تعهد کرده است.

الف گزارش اخیر مک کینزی گزارش بازگشت سرمایه بالقوه 1.3 تریلیون دلاری تا سال 2035!

در توسعه سیستم های کوانتومی خطرات زیادی وجود دارد. در آینده ممکن است شاهد فناوری کوانتومی باشیم:

• بهبود سرعت و قدرت محاسبات؛
• ایجاد سیستم های ارتباطی کاملاً ایمن از طریق رمزنگاری کوانتومی؛ و
• بهبود قابلیت‌های اندازه‌گیری با شبکه‌سازی حسگرهای کوانتومی، مانند ساعت‌های اتمی و مغناطیس‌سنج‌ها.

در حالی که قابلیت‌های فوق در آینده نهفته است (بعضی از آنها دورتر از دیگران)، حتی اگر شما آن را ندانید، هر روز با فناوری کوانتومی تعامل دارید.

کوانتوم در حمام

در فناوری مدرن، ما از خواص کوانتومی انبوه اتم‌ها، نور و مواد برای فعال کردن فناوری‌هایی مانند لیزر، ساعت‌های اتمی و حسگرها استفاده می‌کنیم.

نیمه هادی ها

نیمه هادی ها موادی هستند که طوری مهندسی شده اند تا جایی بین فلزات (رساناها) و شیشه (عایق) رفتار کنند. از آنجایی که می‌توان آنها را برای تحریک الکترون‌ها به حرکت یا مسدود کردن الکترون‌ها از حرکت ساخت، این مواد قدرتمند در چندین فناوری مدرن به‌عنوان سوئیچ‌های الکترونیکی سریع استفاده می‌شوند.

به عنوان مثال، رایانه ها و دستگاه های الکترونیکی قابل حمل می توانند تا تریلیون ها نیمه هادی داشته باشند که برای محاسبات و ذخیره سازی داده ها استفاده می شود. آشکارسازهای حرکت، پنل های خورشیدی، ال ای دی ها در لامپ ها و بسیاری از لیزرها و حسگرها بر پایه نیمه هادی هایی هستند که نور را به الکتریسیته یا برعکس تبدیل می کنند. نیمه هادی ها آنقدر در همه جا حضور دارند که سال گذشته بازار جهانی سالانه نزدیک به 600 میلیارد دلار بود.

آشکارسازهای حرکت

آشکارسازهای حرکت، که در بالا ذکر شد، نور بازتاب شده از یک سطح، مانند لباس یا بدن شما، را برای ایجاد یک سیگنال الکتریکی که مانند یک سوئیچ عمل می کند، تبدیل می کنند. این یک پدیده کوانتومی به نام اثر فوتوالکتریک است که برنده شد آلبرت انیشتین یک جایزه نوبل آشکارسازهای حرکتی برای باز کردن درهای سوپرمارکت، روشن کردن چراغ خانه یا باز کردن شیر آب در سرویس بهداشتی عمومی استفاده می شود. بله … کوانتوم در حمام شماست!

لیزرها

لیزرها در زندگی مدرن به قدری رایج هستند که می توانید برای سرگرمی گربه خود آنها را با کمتر از 10 دلار خریداری کنید! آنها در ساخت و ساز برای حفظ سطح، در پزشکی برای جراحی و کنترل تلویزیون ها و جعبه های ویدئویی از راه دور استفاده می شوند. مردم همچنین از آنها برای ذخیره داده ها یا برای بازسازی پوست و حذف موهای زائد استفاده می کنند.

لیزرها بر اساس اصل کوانتومی کار می کنند انتشار تحریک شده. در گسیل تحریک شده، تمام نور ساطع شده رنگ یا “طول موج” یکسانی دارند. آینه های لیزر اطمینان حاصل می کنند که نور در همان جهت خارج می شود.

در این حالت طول موج های نور ساطع شده از a لیزر همه با هم جمع می شوند و یک موج فوق العاده قوی ایجاد می کنند. در این موج، قله ها و دره های موج کاملاً در یک راستا قرار می گیرند.

این کمی شبیه زمانی است که همه سازها در یک ارکستر یک نت واحد را به صورت هماهنگ می نوازند و یک موج صوتی قدرتمند و پر طنین ایجاد می کنند. هنگامی که امواج نور لیزر همه با هم جمع می شوند، یک منبع نوری هدایت شده و همکاری ایجاد می کنند که می تواند برای ماشینکاری لیزری و جوشکاری استفاده شود. این قدرت نوری همچنین می تواند ساختار الکترونیکی مواد را کاوش کرده و مطالعه کند طیف سنجی، یا می تواند برای پیمودن مسافت های عظیم در فضا استفاده شود.

ساعت اتمی و جی پی اس

ساعت‌های اتمی از سال 1967 برای کمک به استانداردسازی زمان در سطح بین‌المللی استفاده شده‌اند. این ساعت‌ها از ساختار الکترونیکی اتم برای ایجاد یک سیگنال زمان‌بندی بسیار منظم با چرخش الکترون‌ها بین دو سطح انرژی کوانتومی استفاده می‌کنند. چون ساعت های اتمی بسیار دقیق و پایدار هستند که برای اطمینان از ناوبری دقیق در GPS نقش اساسی دارند. با استفاده از GPS، اینترنت و برج‌های تلفن همراه، ساعت‌های الکترونیکی قابل حمل در سراسر جهان با ساعت‌های اتمی در NIST و آزمایشگاه‌های دیگر هماهنگ می‌شوند. واقعیت جالب: سرویس زمان اینترنت در NIST در بولدر، کلرادوکه دستگاه های الکترونیکی را با زمان اتمی ایالات متحده هماهنگ می کند، روزانه 100 میلیارد بازدید از دستگاه های سراسر کشور دریافت می کند.

چگونه به انقلاب کوانتومی بپیوندیم

بسیاری از برنامه های کاربردی فوق در طول آنچه بسیاری آن را اولین انقلاب کوانتومی می نامند توسعه یافتند. به طور کلی، این فناوری ها از رفتار الکترونیکی جمعی اتم ها، مواد و نور بهره می برند.

برخی از فناوران معتقدند که ما در حال ورود به دومین انقلاب کوانتومی هستیم که ماهیت عجیب‌تر مکانیک کوانتومی، یعنی درهم‌تنیدگی کوانتومی را مهار می‌کند.

درهم تنیدگی، برهم نهی و رفتار همبسته در سیستم‌های کوانتومی ممکن است به یک کامپیوتر کوانتومی اجازه دهد تا کامپیوترهای کلاسیک را محاسبه کند. سیستم های کوانتومی همچنین ممکن است کدهای نشکن برای رمزنگاری ایجاد کنند که پیامدهای نگران کننده ای برای امنیت سایبری دارد. خوشبختانه، محققان در NIST و جاهای دیگر در حال کار بر روی توسعه رمزگذاری پس کوانتومی هستند که شکستن آن حتی برای کامپیوترهای کوانتومی نیز سخت است.

در یک نکته جالب تر، برخی از رفتارهای مکانیک کوانتومی به طور بالقوه فرصت های کاملا جدیدی ایجاد می کند که ممکن است خود را با خلاقیت و درگیر شدن افراد بیشتری در فناوری های کوانتومی نشان دهند. هیچ دانشمندی در دهه 1960 فکر نمی کرد که لیزر برای بازسازی پوست یا اسباب بازی های گربه استفاده شود، اما با تنوع بخشیدن به مشارکت، کاربردهای جدید و تجاری بیشتری ظاهر می شود!

در این مورد روز جهانی کوانتوم، برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد فرصت های آموزشی کوانتومی و کوانتومی، کارهای شگفت انگیزی را که در اطراف انجام می شود را بررسی کنید مشارکت آموزشی ملی Q-12.

یا فقط به پرسیدن سوال و کنجکاوی ادامه دهید. شاید یک روز، کشف بزرگ بعدی کوانتوم را به بازار عرضه کنید یا بفهمید که چگونه کوانتوم 2.0 را به توده ها بیاورید!