کوانتومی و رقص: 2 نفر طول می کشد تا وارد شود

یک سخنرانی در کلاس فیزیک کوانتومی کارشناسی زندگی من را برای همیشه تغییر داد.

این سال 2001 بود ، و استاد این ایده را معرفی کرد که فیزیکدانان می توانند از ذرات کوانتومی برای ساختن نوع جدیدی از رایانه فوق العاده استفاده کنند. من چنان فریب این ایده را داشتم که فیزیک کوانتومی می تواند به رویکردهای اساساً جدید به فناوری منجر شود که من بقیه ترم را صرف بلعیدن هر منبعی که می توانم در این موضوع پیدا کنم. من آنقدر مجذوب شدم که تقریباً کلاس را شکست دادم! با این حال ، این شیفتگی به یک اشتیاق مادام العمر برای کاوش در دنیای کوانتومی تبدیل شده است.

قوانینی که حاکم بر کوچکترین ذرات موجود در طبیعت است به عنوان مکانیک کوانتومی شناخته می شوند و مکانیک کوانتومی به ما امکان می دهد تا از نحوه رفتار کوچکترین چیزها در جهان ما نگاهی اجمالی داشته باشیم.

من همیشه در مورد نحوه عملکرد جهان کنجکاو بوده ام ، بنابراین فقط موضوعات عمیق فلسفی در هم تنیده با فیزیک کوانتومی نیست که به من علاقه مند باشد. من همچنین مجذوب این هستم که چگونه فن آوری های نوظهور بر اساس اصول کوانتومی تأثیر بالقوه انقلابی بر جامعه ما دارند.

چند سال پس از آن کلاس کارشناسی ، من به تورنتو رفتم تا دکتری را دنبال کنم. در فیزیک کوانتومی تجربی. یک شب ، من از کار در آزمایشگاه استراحت کردم و با یک دوست به یک باشگاه جاز بیرون رفتم. یک زن و شوهر با هم در یک طبقه رقص به اندازه تمبر پست می رقصیدند. روشی جنبشی که آنها رقصیدند و شادی که از آن غافل شد ، مرا به حرکت درآورد. پس از آن ، من آنها را با سؤال مطرح کردم. آنها گفتند ، این رقص رقص اصلی نوسان به نام لیندی هاپ بود. من تمام شب با تماشای فیلم های Lindy Hop و تلاش برای یافتن کلاس های رقص ای که می توانم بمانم ، بیدار شدم. (این قبل از یوتیوب بود ، بنابراین شما واقعاً مجبور بودید برای یافتن این چیزها جستجو کنید!)

شعر دنیای کوانتومی

هدف فیزیک تلاش برای درک قوانینی است که حاکم بر نحوه عملکرد جهان است. مثلاً جاذبه را بگیرید. سر اسحاق نیوتن کشف کرد که هر دو شیء که توده ای دارند به یکدیگر جذب می شوند. به همین دلیل است که اشیاء سقوط می کنند. اشیاء به زمین جذب می شوند که توده زیادی دارد. این اصل ساده که اشیاء با جرم به یکدیگر جذب می شوند ، نه فقط چرا اشیاء سقوط می کنند ، بلکه به همین دلیل است که زمین به خورشید و چگونگی شکل گیری کهکشان های دوردست می پردازد.

در مقابل ، هنگامی که دنیای اتمی و زیر اتمی را مطالعه می کنیم ، با ذرات بسیار ریز کار می کنیم. یک نوع ذره کوچک نور به عنوان فوتون نامیده می شود.

در این جهان ، می فهمیم که قوانین حاکم بر آن بسیار متفاوت از تجربیات روزمره ما است. تصور کنید که یک توپ را به یک دیوار پرتاب کنید و به جای اینکه به عقب برگردید ، گاهی اوقات در آن طرف ظاهر می شود. این پدیده ، به نام تونل سازی کوانتومی ، اتفاق می افتد زیرا ذراتی مانند فوتون یا الکترون می توانند مانند امواج رفتار کنند و به آنها اجازه می دهند از موانعی عبور کنند که به طور معمول جلوی آنها را می گیرد.

فرآیندهای کوانتومی نیز ذاتاً غیرقابل پیش بینی هستند. به عنوان مثال ، رفتار یک اتم را هنگام مواجهه با سدی انجام دهید. هیچ راهی برای دانستن اینکه آیا آن را به عقب برگردانده یا تونل وجود ندارد ، زیرا نتیجه به طور اتفاقی اداره می شود.

در حالی که دنیای کوانتومی ممکن است عجیب و غریب به نظر برسد ، به خصوص در کتاب ها و فیلم های محبوب ، من مکانیک کوانتومی را شعری می بینم که جهان در مورد اساسی ترین کار خود نوشته است. زبان این شعر ریاضیات است. یک تعریف از شعر این است که نمی توان آن را به طور کامل ترجمه کرد و مکانیک کوانتومی نیز از این قاعده مستثنی نیست. ترجمه مشاهدات ریاضی و تجربی دنیای کوانتومی به تجربیات روزمره چالش برانگیز است ، به همین دلیل بسیاری از پدیده های کوانتومی عجیب به نظر می رسند.

رقص فوتون ها

Lindy Hop یک رقص شریک است ، بنابراین مناسب است که تحقیقات من شامل رقصیدن نوع دیگری از رقص با استفاده از فوتون ها باشد. ما از یک سیستم نوری پیشرفته برای تولید جفت فوتون استفاده می کنیم. این فوتون ها دارای خواصی هستند که با یکدیگر در هم تنیده اند و ما می گوییم که آنها درگیر هستند.

این درگیری ارتباط بسیار قوی تر از هر چیزی است که در زندگی روزمره خود تجربه می کنیم – حتی قوی تر از ارتباط هر دو شریک رقص در زمین. حتی اگر فوتون ها به انتهای مخالف کهکشان منتقل شوند ، اندازه گیری یک فوتون تأثیر فوری بر وضعیت دیگری خواهد داشت. این همان چیزی است که آلبرت انیشتین از آن به عنوان “اقدامات شبح وار” یاد کرد.

یک مفهوم مهم برای درک با درگیری این است که ما نمی توانیم از آن برای برقراری ارتباط سریعتر از سرعت نور استفاده کنیم. دلیل این امر این است که وقتی یک فوتون گرفتار اثر دیگری بر دیگری تأثیر می گذارد ، این اثر غیرقابل پیش بینی است. بنابراین ما نمی توانیم از آن برای برقراری ارتباط سریعتر از سرعت نور به دلیل آن عنصر تصادفی استفاده کنیم.

درگیری یکی از ایده های اصلی برای درک اینکه چرا قوانین حاکم بر دنیای کوانتومی متفاوت است. همچنین یکی از اصول اصلی است که بسیاری از فناوری های نوظهور را بر اساس مکانیک کوانتومی قدرت می دهد. در حالی که توضیح به صورت غیرقانونی چالش برانگیز است ، من با آن کار کرده ام هم جادوگران و هم رقصندگان در گذشته برای تلاش برای انتقال ایده ها و مفاهیم اساسی مکانیک کوانتومی و گرفتاری. در حالی که رقص و جادو ممکن است به اندازه ریاضیات دقیق نباشد ، اما می توانند با قدرت و قدرت احساس خاصی از چگونگی عملکرد مفاهیم پیچیده را منتقل کنند.

درگیری راه ما به فناوری جدید

من به عنوان یک دانشمند در NIST ، من به ویژه از اینکه چگونه فناوری های کوانتومی می توانند به ما اجازه دهند اندازه گیری های بهتر و دقیق تری انجام دهند ، بسیار هیجان زده ام. به طور خاص ، من علاقه مند به ایجاد فناوری هایی هستم که می توانند سیستم های کوانتومی از راه دور را به هم متصل و وارد کنند. این پیشرفت ها می تواند پاسخ فاجعه را با سنسورهای لرزه ای فوق العاده حساس برای زمین لرزه ها ایجاد کند یا سیستم های ارتباطی ایجاد کند و در برابر حملات سایبری مصون باشد. این می تواند راه را برای دنیای امن تر و متصل تر هموار کند.

ساختن یک شبکه کوانتومی که به دستگاه ها و سیستم ها در مکان های از راه دور امکان برقراری ارتباط را می دهد ، چالش برانگیز است. فوتونهای درگیر فوق العاده شکننده ، از دست دادن آسان و بسیار ضعیف هستند. شبکه های نوری معمولی ، مانند آنهایی که برای ارسال مسافت های طولانی در اینترنت استفاده می شوند ، از لیزرهای روشن برای انتقال داده ها استفاده می کنند. این سیگنال های سبک می توانند فوتون های منفرد مورد نظر خود را برطرف کنند. این مانند استخر شنا پر از ماسه و تلاش برای پیگیری یک دانه واحد است.

در حال حاضر ، از آنجا که فوتون های درگیر بسیار شکننده هستند ، ما نمی توانیم از آنها در هر مقیاس وسیعی استفاده کنیم. بخش عمده ای از تحقیقات من بر ساختن منابع با کیفیت بالا از فوتون های درهم تنیده متمرکز است که ارتباطات کوانتومی از راه دور را قادر می سازد. این کار پتانسیل ایجاد انواع جدید روشهای ارتباطات امن را دارد.

در حالی که شبکه های کوانتومی هنوز در مراحل ابتدایی خود هستند ، ما قبلاً نشان داده ایم که چگونه آنها می توانند کارهایی را انجام دهند که شبکه های معمولی (غیر کوانتوم) نمی توانند. ما به تازگی از Entanglement برای ساختن بهترین ژنراتور شماره تصادفی که طبیعت اجازه می دهد استفاده کردیم.

تصادفی واقعی نقش مهمی در بسیاری از سیستم های ارتباطات امن ما دارد. یک منبع عمومی تصادفی نیز می تواند در کارهایی که به انصاف نیاز دارند ، مانند انتخاب وظیفه هیئت منصفه یا اختصاص دانش آموزان به مدارس نیز استفاده شود. تیم ما با همکاری دانشگاه کلرادو بولدر اخیراً سرویس تصادفی را راه اندازی کرد این مبتنی بر فوتون های درهم تنیده ما است. این سرویس برای ادغام به راحتی در طیف گسترده ای از برنامه ها طراحی شده است و با مفهوم نسخه بعدی وب سازگار است ، معروف به Web3بشر

ساختن این سیستم های کوانتومی سخت است ، اما NIST مکان ایده آل برای انجام این کار است. من در بسیاری از متخصصان جهان در طیف گسترده ای از مناطق علمی احاطه شده ام. غالباً ، هر وقت با مشکلی روبرو می شوم ، یک متخصص فقط در سالن وجود دارد که می تواند به سوال من پاسخ دهد. این امر به شدت سرعت پیشرفت های تحقیق را تسریع می کند و به همین دلیل NIST مرکز بسیاری از نوآوری های مرتبط با کوانتومی بوده است.

من به کاری که همکارانم و من برای کمک به آماده سازی برای آینده کوانتومی افتخار می کنم ، افتخار می کنم. از آنجا که ما مرزهای آنچه را که در مکانیک کوانتومی امکان پذیر است ، به من یادآوری می کنیم که هر سفر عالی با یک قدم واحد – یا در مورد من ، یک رقص آغاز می شود.