حالت جدیدی از ماده کشف شد/ کامپیوترهای کوانتومی متحول می‌شوند

به گزارش خبرنگار خبرگزاری علم و فناوری آنا، حالت‌های اصلی ماده یعنی جامد، مایع و گاز زندگی روزمره روی زمین را پر می‌کند اما این سه نوع مختلف ماده که هر کدام با دیگری فرق مس کند و عملکرد کاملا متفاوتی دارند. ولی تنها حالت‌های مواد روی زمین نیستند و حالت‌های دیگری نیز وجود دارند .

دانشمندان ده‌ها حالت عجیب و غریب دیگر از ماده را کشف (یا خلق) کرده‌اند که اغلب دارای نام‌های مرموز و تخیلی هستند از جمله «ابرشاره‌ها»، «چگالش‌های بوز-انیشتین» و ماده «نوترون تباه».

طی چند سال گذشته، فیزیکدانان در سراسر جهان در حال ساختن حالت دیگری از ماده به نام «بلور زمان» (کریستال زمان) هستند. گروهی از محققان با استفاده از یک کامپیوتر کوانتومی، یک کریستال زمان ساخته‌اند که به نظر آنها، قطعا به ساخت کریستال های زمان در دنیای فیزیک منجر خواهد شد.

این دانش پژوهان هنوز تحقیقات خود را به طور رسمی منتشر نکرده اند، اما ماه گذشته، یک پیش چاپ (مقاله علمی که هنوز به صورت همتا ویرایش نشده است) را در وب سایت ArXiV ارائه کردند.

دقیقاً کریستال زمان چیست؟ ممکن است مانند جزء مهمی به نظر برسد که در ساخت ماشین زمان یا نوعی منبع انرژی آینده نگرانه به کار آید و یا شاید شی دست ساز یک تمدن بیگانه گمشده تلقی شود. اما، برای دانشمندان، کریستال زمان در واقع ماده خاص تری است: کنجکاوی در قوانین فیزیک.

در کریستال‌های معمولی مانند الماس، زمرد یا حتی یک مکعب یخ اتم‌های کریستال به نوعی در الگوهای تکراری در فضا مرتب شده‌اند.

سه بعد فضا وجود دارد و بعد چهارم، زمان. بنابراین فیزیکدانان به این فکر کردند که آیا اتم های یک کریستال می توانند در الگوهای تکرار شونده در زمان مرتب شوند یا خیر.

در عمل، چیزی شبیه به این کار می کند. شما یک کریستال می سازید که اتم های آن در یک حالت قرار می گیرند.

اگر آن کریستال را با یک لیزر تنظیم شده منفجر کنید، آن اتم‌ها ممکن است به حالت دیگری تغییر کرده و دوباره به عقب برگردند و سپس دوباره این چرخه را بدون جذب انرژی از لیزر بارها و بارها تکرار کنند. چیزی که به تازگی خلق شده حالتی از ماده است که دائماً در حرکت است، به طور نامحدود، بدون اینکه انرژی مصرف کند.
این شاهکار است. این حالت از ماده در برابر یکی از مقدس ترین اصول فیزیک کلاسیک قرار دارد. قانون دوم ترمودینامیک. در این قانون آمده است مقدار آنتروپی یا بی نظمی همیشه تمایل به افزایش دارد.

با فرض یک گلدان در لبه میز که آماده افتادن است باید برای آن انرژی صرف شود تا به سمت زمین نیافتد.

کریستال های زمان در واقع یک ایده نسبتا جدید هستند که برای اولین بار توسط «فرانک ویلچک» فیزیکدان برنده نوبل در سال 2012 نظریه پردازی شد.

هرچند همه فیزیک دانها در آن زمان این نظریه را قبول نکردند و برخی معتقدند قانون دوم ترمودینامیک در برابر این حالت از ماده قطعا پیروز خواهد بود.

محققان علاقمند به این نظریه دست به کار شدند. در سال 2016، فیزیکدانان دانشگاه مریلند موفق شدند یک کریستال زمان خام را از مجموعه ای از اتم های ایتربیوم به هم بچسبانند.

گروه های دیگر نیز کریستال های زمان را در داخل الماس ایجاد کرده اند .

اما آخرین گروه از این دانشمندان کار متفاوتی انجام دادند. آنها به گوگل روی آوردند و از یک کامپیوتر کوانتومی استفاده کردند؛ دستگاهی که از ویژگی های مکانیک کوانتومی بهره می برد؛ نوعی فیزیک به ظاهر مرموز که جهان را در کوچکترین مقیاس ها هدایت می کند.

در حالی که رایانه های معمولی و کلاسیک برای محاسبات خود از تکه های سیلیکون استفاده می کنند رایانه های کوانتومی مستقیما با اتم ها یا ذرات کار می کنند.

این راهکار به فیزیکدانان امکان داد آزمایش هایی را انجام دهند که اجرای آن با رایانه های معمولی بسیار دشوار است. چرا که فیزیک کوانتومی به ذرات اجازه می‌دهد چندین چیز در یک واحد باشند و ذرات در فواصل به ظاهر غیرممکن برهم‌کنش داشته باشند .

«گابریل پردو» محقق کامپیوتر کوانتومی در آزمایشگاه ملی «فرمی لب» شیکاگو که بر فیزیک ذرات سطح بالا تمرکز دارد، می‌گوید: توانایی شبیه‌سازی قوانین فیزیک با رایانه‌های سنتی بسیار دشوار است.

اما، با چیدمان ذرات در پردازنده یک کامپیوتر کوانتومی، می توان به معنای واقعی کلمه سیستم های ذرات ریز را به گونه ای مطالعه کرد که گویی بلوک های ساختمانی هستند. این یک توانایی قدرتمند است و چیزی نیست که در دنیای غیرکوانتومی زیاد دیده شود.

این فیزیک دانها توانستند اتم‌ها را بگیرند، مجدداً مرتب کنند، سپس آنها را با لیزر منفجر کنند تا کریستال زمان را به حرکت درآورند.

این تنظیمات به محققان این امکان را داده است که یک کریستال زمان بسازند که بزرگتر از هر کریستال زمانی قبلی است. در حالی که بسیاری از کریستال‌های زمان قبلی ماندگاری کوتاهی داشتند و در چند چرخه چرخشی به عقب و جلو، از بین می رفتند، دانشمندانی که جدیدترین کریستال زمان را ساختند ، از پایداری چیزی که ایجاد کرده‌اند شگفت زده شده‌اند.

بنابراین، آیا این کریستال های زمان واقعاً می توانند به موج جدیدی از ماشین های زمان نوپا منجر شوند؟ احتمالا نه. اما این یافته ممکن است به قوی‌تر شدن رایانه‌های کوانتومی کمک کنند.

مهندسان سال‌ها تلاش کرده‌اند چیزی بسازند که بتواند به عنوان حافظه در رایانه‌های کوانتومی عمل کند. مقداری معادل سیلیکونی که زیربنای کامپیوترهای سنتی است. فیزیکدانان فکر می کنند کریستال های زمان می توانند به این هدف عمل کنند.

به گفته پردو، این آزمایش همچنین نشان‌دهنده قدرت رایانه‌های کوانتومی در انجام علم است. وی می‌گوید: «همان پلتفرمی که شبیه‌سازی برخی از الگوریتم‌های جالب را برای شما آسان می‌کند، می تواند به همان اندازه کار می‌کند و چه بسا بیشتر برای شبیه‌سازی برخی از سیستم ها نیز کارآمد باشد