حالت کوانتومی تازه گربه شرودینگر در آزمایش آکسفورد

گربه‌ای را تصور کنید که زیر بار قواعد معمول نمی‌رود. این گربه فقط میان زنده و مرده بودن معلق نیست، بلکه از اجزایی ساخته شده که خودشان به شکلی سرسختانه عجیب و کوانتومی‌اند. این همان تصویری است که از کار یک تیم پژوهشی در آکسفورد به دست می‌آید، تیمی که آزمایش فکری مشهور گربه شرودینگر را وارد قلمرویی تازه و حتی شگفت‌انگیزتر کرده است.

ایده اولیه، یعنی ذره‌ای که هم‌زمان در دو حالت ناسازگار قرار دارد، نمونه کلاسیک شگفتی‌های مکانیک کوانتومی است. اروین شرودینگر در سال ۱۹۳۵ آن را به‌عنوان یک چالش فکری مطرح کرد. آزمایشگاه‌های واقعی مدت‌هاست این چالش را به آزمایش تبدیل کرده‌اند و اتم‌ها و فوتون‌ها را در برهم‌نهی کوانتومی قرار داده‌اند. اما گروه آکسفورد یک گام جلوتر رفت: آن‌ها بلوک‌های سازنده‌ای را انتخاب کردند که اصلا کلاسیک نیستند، بلکه عمیقا کوانتومی‌اند، سپس این بلوک‌ها را درهم‌تنیده کردند تا خانواده‌ای کاملا تازه از حالت‌های شبیه گربه بسازند.

آن‌ها چگونه این کار را انجام دادند؟ تیم پژوهشی یک یون منفرد استرانسیوم-۸۸ را در یک چاه نوری به دام انداخت و از دو درجه آزادی متفاوت درون همان ذره استفاده کرد. یک درجه آزادی، یعنی حالت الکترونیکی داخلی یون، مانند یک کیوبیت عمل کرد. درجه دیگر، یعنی حرکت یون و نوسان بسیار کوچک رفت‌وبرگشتی آن، رفتاری مانند یک نوسان‌گر کوانتومی داشت. پژوهشگران با مهندسی برهم‌کنش میان این دو و افزودن یک اندازه‌گیری دقیق در میانه فرایند، حرکت نوسان‌گر را به هندسه‌هایی نامتعارف شکل دادند که به یک «گربه» کوانتومی شباهت دارد، اما ساختاری بسیار غنی‌تر و پیچیده‌تر ارائه می‌کند.

سباستین سانر، نویسنده اصلی مقاله، این روش را نوعی پیکرتراشی توصیف می‌کند: کیوبیت و نوسان‌گر با هم ورز داده می‌شوند، سپس خوانش کیوبیت، نوسان‌گر را در همان الگوی دقیقی که تیم می‌خواهد منجمد می‌کند. جمله‌ای کوتاه. کنترلی بزرگ. نتیجه فقط ذره‌ای در دو حالت نیست، بلکه اجزایی است که خودشان در آرایش‌هایی ناکلاسیک و گاهی غافلگیرکننده قرار دارند.

چرا این موضوع اهمیت دارد؟ چون این حالت‌های غنی‌تر، اطلاعات را به شیوه‌ای متفاوت حمل می‌کنند. کیوبیت‌های معمولی شکننده‌اند، حتی زمزمه‌ای از نویز می‌تواند آن‌ها را به هم بریزد. حالت‌های گربه مبتنی بر نوسان‌گر می‌توانند داده‌ها را پایدارتر رمزگذاری کنند و اطلاعات را در الگویی از حرکت پخش کنند که خراب کردن آن دشوارتر است. این پایداری می‌تواند به راهبردهای ساده‌تر و قدرتمندتر برای اصلاح خطای رایانه‌های کوانتومی و همچنین حسگرهای کوانتومی حساس‌تر و مقاوم‌تر در برابر نویز منجر شود.

به آن مثل جابه‌جایی از یک نخ نازک و شکننده به یک طناب بافته‌شده نگاه کنید. طناب بافته‌شده حتی اگر در بخش‌هایی ساییده شود، همچنان می‌تواند دوام بیاورد. مهندسان با استفاده از نوسان‌گرهای حرکتی به جای کیوبیت‌های ساده دوحالته، ابزارهای تازه‌ای برای کنترل شیوه ذخیره‌سازی و بازیابی اطلاعات به دست می‌آورند و مسیرهایی را به سوی معماری‌هایی باز می‌کنند که واقعیت آشفته نویزهای آزمایشگاهی را بهتر تاب می‌آورند.

این پژوهش که در نشریه فیزیکال ریویو ایکس منتشر شده، کاری آزمایشی و کاملا هدفمند است. تیم نشان می‌دهد که با کنترل دقیق و اندازه‌گیری‌های میانه توالی، می‌توان در یک نوسان‌گر، حالت‌های کوانتومی تقریبا دلخواه با شکل هندسی مشخص ایجاد کرد. این انعطاف‌پذیری یک جعبه‌ابزار برای طراحان فناوری کوانتومی است: آن‌ها می‌توانند حالت‌ها را متناسب با مدل‌های خاص خطا یا وظایف حسگری تنظیم کنند، به جای آنکه نیازهای پیچیده را به زور در قالب کیوبیت‌های ساده جا دهند.

البته موانع عملی هم وجود دارد. نوسان‌گرها حساسیت‌ها و پیچیدگی‌های خاص خود را به همراه می‌آورند. با این حال، آزمایش آکسفورد با گسترش دامنه آنچه می‌تواند یک حالت کوانتومی قابل استفاده باشد، بخشی از قواعد بازی در اطلاعات کوانتومی را بازنویسی می‌کند. مسئله دیگر فقط منزوی نگه داشتن چیزهای بسیار کوچک نیست، بلکه مهندسی پیچیدگی‌هایی است که در برابر جهان واقعی مقاومت می‌کنند.

ساخت حالت‌های گربه از اجزایی که خودشان از پیش کوانتومی‌اند، راه‌های تازه‌ای برای ذخیره‌سازی و محافظت از اطلاعات کوانتومی در اختیار پژوهشگران می‌گذارد و هم رایانش کوانتومی و هم فناوری‌های حسگری را پیش می‌برد.

این آزمایش به بحث درباره بنیادهای کوانتوم پایان نمی‌دهد و قطعا حیوان خانگی واقعی را هم داخل جعبه نمی‌گذارد. کاری که انجام می‌دهد این است که نشان می‌دهد وقتی از عجیب‌ترین مواد اولیه جهان برای ساخت دستگاه‌های تازه استفاده می‌کنیم، هنوز چه قلمروهای گسترده‌ای برای کاوش باقی مانده است، و این پرسش را پیش می‌کشد که آیا ماشین‌های کوانتومی نسل بعدی ما ممکن است از طراحی‌هایی پدید بیایند که به جای پنهان کردن عجیب‌بودن، آن را در آغوش می‌گیرند.