۱۴ آوریل ۲۰۲۵، جهان برای بزرگداشت «روز جهانی کوانتوم» گرد هم آمد؛ رویدادی علمی که با هدف ارتقای درک عمومی از مفاهیم شگفتانگیز و بنیادین فیزیک کوانتومی برگزار میشود.
به گزارش تکناک، انتخاب این روز، برگرفته از عدد ۴.۱۴، اشارهای دقیق به سه رقم اول ثابت پلانک دارد؛ ثابتی که از ارکان اصلی نظریههای کوانتومی محسوب میشود و نقش تعیینکنندهای در درک رفتار ذرات زیراتمی دارد.
در دنیای پیرامون ما و در مقیاسهایی که با چشم دیده میشوند، پدیدهها عمدتاً از قوانین فیزیک کلاسیک تبعیت میکنند. اما وقتی نگاهمان را به دنیای ذرات زیراتمی میبریم، این قوانین دیگر کارایی پیشین را ندارند و جای خود را به اصول مکانیک کوانتومی میدهند.
فیزیک کوانتومی مفاهیم شگفتانگیزی را مطرح میکند؛ از جمله اینکه ذراتی مثل الکترون میتوانند همزمان خاصیت ذرهای و موجی داشته باشند که به آن دوگانگی موج-ذره میگویند. همچنین دو ذره میتوانند چنان بههم مرتبط باشند که با اندازهگیری یکی، اطلاعاتی از دیگری بهدست آید؛ پدیدهای که به آن درهمتنیدگی کوانتومی گفته میشود. از دیگر ویژگیهای جالب در این حوزه، ابرموقعیت کوانتومی است؛ حالتی که در آن، یک ذره میتواند تا پیش از مشاهده در چندین وضعیت بهطور همزمان وجود داشته باشد.
در ادامه نگاهی اجمالی به این مفاهیم خواهیم داشت
برهمنهی کوانتومی چیست؟
یکی از مفاهیم محوری در فیزیک کوانتومی، پدیدهای است به نام برهمنهی کوانتومی (Quantum Superposition). این پدیده توصیف میکند که چگونه یک ذره زیراتمی مانند الکترون، فوتون یا حتی یک اتم میتواند بهصورت همزمان در چندین حالت مختلف وجود داشته باشد. این رفتار، برخلاف شهود روزمره ما در دنیای کلاسیک است، جایی که اشیاء تنها در یک حالت مشخص قرار دارند—برای مثال یک کلید برق یا روشن است یا خاموش، و یک گربه یا زنده است یا مرده.
در فیزیک کوانتومی، وضعیت یک ذره بهوسیله تابع موج توصیف میشود که مجموعهای از احتمالات برای مکان و ویژگیهای آن ذره را ارائه میدهد. تا زمانی که اندازهگیری صورت نگیرد، ذره در ترکیبی از حالات مختلف باقی میماند و تنها با مشاهده، این موج احتمال فرو میریزد و وضعیت نهایی تثبیت میشود.
آزمایش گربه شرودینگر و دو شکاف؛ روایتهایی از برهمنهی
مفهوم برهمنهی برای نخستین بار به شکلی قابلفهم در قالب آزمایش ذهنی «گربه شرودینگر» مطرح شد. برای درک بهتر این مفهوم، فیزیکدان اتریشی اروین شرودینگر در دهه ۱۹۳۰ آزمایش ذهنی مشهوری را مطرح کرد:در این آزمایش فرضی، گربهای را درون جعبهای بسته قرار میدهند.
در داخل این جعبه، مکانیزمی شامل یک ذره پرتوزا، یک شمارنده گایگر، یک شیشه زهر و یک چکش وجود دارد. اگر ذره پرتوزا واپاشی کند، شمارنده گایگر آن را شناسایی کرده، چکش به حرکت درمیآید و شیشه زهر را میشکند؛ در نتیجه، گربه کشته میشود. اما اگر واپاشی صورت نگیرد، گربه زنده میماند.
از آنجا که واپاشی ذره پرتوزا طبق مکانیک کوانتومی در حالت ابرموقعیت قرار دارد (یعنی همزمان میتواند واپاشی کرده باشد و نکرده باشد)، در نتیجه تا زمانی که جعبه را باز نکردهایم، گربه نیز در حالتی بین زنده و مرده قرار دارد. با باز کردن در جعبه و مشاهده، این ابرموقعیت فرو میپاشد و گربه یا زنده یا مرده خواهد بود.
این آزمایش فکری، نه برای اثبات واقعی بودن چنین حالتی، بلکه برای انتقاد از تفسیر رایج کپنهاگی از مکانیک کوانتومی مطرح شد و تا امروز نیز موضوع بحثهای فلسفی و علمی فراوانی است
آزمایش دیگری که نقش اساسی در شناخت برهمنهی داشته، آزمایش دو شکاف است. در این آزمایش، فوتونها یا ذرات دیگر از میان دو شکاف عبور داده میشوند. اگر فقط یک شکاف باز باشد، نوار سادهای روی صفحه ثبت میشود، اما اگر هر دو شکاف باز باشند، الگوی تداخلی پیچیدهای ظاهر میشود که نشان میدهد هر ذره بهتنهایی از هر دو شکاف گذشته و با خودش تداخل کرده است. اما اگر بخواهیم مسیر عبور هر ذره را مشخص کنیم، این الگو از بین میرود و تنها دو نوار ساده باقی میماند؛ نشانهای روشن از فروپاشی برهمنهی در لحظه مشاهده.
برهمنهی در طبیعت و زیستشناسی
بررسیهای نوین نشان دادهاند که برهمنهی تنها محدود به ذرات منفرد نیست، بلکه میتواند در مقیاس بزرگتری نیز رخ دهد. برای نمونه، یونها و مولکولهای نسبتاً بزرگ در آزمایشگاه در حالت برهمنهی نگه داشته شدهاند. حتی در فرایند فتوسنتز گیاهان نیز، مولکولهای کلروفیل از این پدیده برای جذب مؤثرتر انرژی نور خورشید بهره میگیرند. این کشف نشان میدهد که قوانین کوانتومی نهتنها در فیزیک، بلکه در حیات نیز حضور پررنگی دارند.
کاربردهای انقلابی برهمنهی در رایانش کوانتومی
یکی از تأثیرگذارترین کاربردهای پدیده برهمنهی، در عرصه رایانش کوانتومی دیده میشود. در رایانههای کلاسیک، اطلاعات بهصورت بیتهایی ذخیره میشود که تنها میتوانند در یکی از دو حالت صفر یا یک باشند. اما در رایانههای کوانتومی، کیوبیتها قادرند بهطور همزمان در هر دو وضعیت صفر و یک قرار گیرند—ویژگیای که به لطف برهمنهی حاصل میشود.
برای مقایسه، سه بیت کلاسیک تنها یکی از هشت حالت ممکن را میتوانند در آن واحد نشان دهند. اما سه کیوبیت کوانتومی میتوانند بهصورت همزمان در هر هشت حالت وجود داشته باشند و این یعنی توانایی انجام همزمان هشت پردازش مختلف. این ویژگی باعث میشود رایانههای کوانتومی به مراتب سریعتر و توانمندتر از رایانههای کلاسیک باشند.
توان پردازشی خارقالعاده رایانههای کوانتومی این امید را به وجود آورده که در آینده بتوانند شبیهسازیهای پیچیدهای را در زمینههای حساس مانند طراحی دارو، مدلسازی اقلیم، رمزنگاری، شیمی کوانتومی و بهینهسازیهای صنعتی انجام دهند—آن هم در زمانی که رایانههای کلاسیک برای همان عملیات به میلیونها سال نیاز دارند.
جمعبندی: از نظریه تا انقلاب علمی
برهمنهی کوانتومی، مفهومی است که زمانی صرفاً یک معمای فلسفی بهنظر میرسید، اما اکنون به یکی از بنیادیترین و کارآمدترین اصول در فناوریهای پیشرفته تبدیل شده است. روز جهانی کوانتوم فرصتی مغتنم برای یادآوری این نکته است که کاوش در عمق جهان زیراتمی نهتنها درک ما را از طبیعت متحول میسازد، بلکه دریچهای به آیندهای گشوده میشود که در آن علم، فناوری و طبیعت در هم تنیدهاند.
