کوی دانش - kooy

"گربه" آموزشی شرودینگر و کنترلِ ویژگی های کوانتومی نور

"گربه" آموزشی شرودینگر و کنترلِ ویژگی های کوانتومی نور
20 تیر
14:30 1394
در تصویر فوق یک گربه Zeno دیده می شود. گربه Zeno به حالت های غیر کلاسیکی نور اشاره دارد که حفره ای را در حالت رزونانس روشن می کند، در حالی که دسترسی به یک سطح معین از انرژی ممنوع است. این نام از اثر Zeno ریشه می گیرد. مفهوم گربه، از شباهت با مفهوم حالت گربه شرودینگر (فیزیک دان مشهور اتریشی) درباره نور نشأت می گیرد که یک سوپرپوزیشن بین دو حالت کلاسیکی مربوط به نور است. گربه Zeno مطابقت هایی را با طراحی تجربی کار مطالعاتی حاضر به تصویر می کشد.

ساخت کامپیوترهای کوانتومی و سایر دستگاه های کوانتومی، نیاز به توانایی نفوذ در ویژگی های کوانتومی دارد، ویژگی هایی از قبیل سوپرپوزیشن و entanglement. ولی این اثرات شکننده هستند و بنابراین نگهداری از آنها دشوار است. به تازگی دانشمندان مرکزِ Ecole Normale Supérieure در پاریس، متد نوینی را برای کنترل ویژگی های کوانتومی نور ارائه داده اند. این کار با کاوش برای یک مدار اَبَررسانا در حفره ای انجام شد که همراه با فوتون های مایکرو ویو بود تا سطوح انرژی را کنترل کند که کوانتوم فوتون بتواند آنها را تسخیر کند. به طور ویژه، دانشمندان از دسترسی به یک سطح منفرد از انرژی جلوگیری کردند که متناظر با فوتون های N است و بنابراین دینامیک میدان مربوطه را محدود به سطوح 0 و N -1 کردند. با چنین کاری، میدان مربوطه از یک موج کلاسیکی به "گربه نوری شرودینگر" تبدیل شد (گربه نوری شرودینگر یک سوپرپوزیشن بین دو موج از فازهای متضاد است به جای آنکه مربوط به یک موج باشد). در نتیجه، این تکنیک جدید می تواند برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی به کار رود، این کار با محافظت qubit ها از همدوس نشدن و نیز ارتقاء تصحیح خطای کوانتومی و نیز سنجش سیستم های کوانتومی می باشد.

پروفسور بنیامین هوارد این موضوع را طی مقاله ای مطرح کرده است: «دشواری اولیه ای که در توسعه متد ما وجود داشت و برای دستکاری الکترومغناطیسی مُدها بوسیله کنترل مؤثر فضای فازی آنها بود، برای یافتن راهی مناسب می باشد که برای جلوگیری از هرگونه دسترسی به یک یا چند سطح اندک انرژی است. ما آن استفاده را با بهره گیری از سیستم کوانتومی دیگری انجام دادیم (یک qubit از نوع ابررسانا) که به ما این امکان را می داد تا انرژی هر سطحی را که می خواستیم، با روشن کردن یا خاموش کردن یک سیگنال مایکرو ویو، تغییر دهیم. در این زمینه، چالش اصلی آن بود که یک حفره و یک qubit را طراحی کنیم که ویژگی های مناسبی برای تحقق بخشیدن و مشاهده این متد کنترلی جدید داشته باشد».

دانشمندان موضوعی را نیز در پیدا کردنِ «آن میزان از متصرف شدن» را در طول زمان داشتند و آن هنگامی بود که از یک مُد نوری و qubit برای چندین عملیات استفاده می کردند. «کار تجربی اساسی آن بود که مُد نوری را تحریک کنیم ضمن آنکه  qubit فضای فازی خودش را کنترل می کند. ولی برای اندازه گیری میزان تصرف در طی زمان، ما ناگزیر بودیم تا از همان qubit به عنوان شمارنده فوتون استفاده کنیم و از همان مُد نوری برای سنجش حالت qubit بهره بگیریم. (شمارنده های فوتون، توزیع فوتون ها را با به شمار آوردن الکترون های فوتوالکتریک و یا فوتو- الکترون ها انجام می دهند و اینها الکترون هایی هستند که توسط فلزات گوناگونی در اثر روشن شدن با فوتون منتشر شده اند).

مانع سومی که وجود داشت، استفاده از الکترودینامیک کوانتومی مدار و یا ساختار مدار QED بود، اجرای الکترودینامیکی کوانتومی (یک تئوری میدان کوانتومی مربوط به نیروی الکترومغناطیسی) برای مدارها، تا دینامیک Zeno برای نور اعمال می شود (QZD). QZD بر اساس اثر کوانتوم (QZD) می باشد (این نامگذاری پس از پارادوکسِ پیکان زنون بود که طی آن، اگر یک ذره ناپایدار به طور مستمر مشاهده شود، آن ذره هرگز از بین نخواهد رفت و این بدان معنی است که یک سیستم کوانتومی ناپایدار که با فرکانس مناسبی اندازه گیری شود، تکامل نخواهد داشت. ولی در شرایط معینی، دینامیک کوانتوم Zeno (که طی آن، سیستم های کوانتومی در طول زمان تغییر می کنند) می تواند رخ دهد.

 

در تصویر فوق، گربه کلاسیک در برابر گربه شرودینگر دیده می شود. شکل بالا، میدان کلاسیک را در درون حفره ای نشان می دهد که توسط تُن مایکرو ویو تولید شده روشن می شود. این فاز به خوبی تعریف شده است (رنگ سبز مطابق است با میدان هایی همراه با فاز اصلی که یک گربه زنده متناظر با آنست) و دامنه به صورت خطی افزایش می یابد. تصویر پایینی، نتایج تجربی را نشان می دهد که طی آن سه فوتون از ورود به حفره ممانعت شده اند. در این مورد، کمی بعد دامنه میدان اشباع می شود و وارد یک سوپرپوزیشن کوانتومی مربوط به دو فاز ممکن می شود (اصل به رنگ سبز و متضاد آن به رنگ قرمز نشان داده شده است). پس از این فاصله واسطه، دامنه کم می شود، در نتیجه فاز متضاد را نگه می دارد، تا زمانی که به دامنه صفر برگردد. با قیاس می توان گفت که رژیم حد واسط، متناظر است با دو حالت کلاسیک، با دو فاز متضاد که بسیار شبیه به سوپرپوزیشنِ مربوط به یک گربه مرده و یک گربه زنده می باشد.

 

«به همراه تعداد زیاد سطوح انرژی و آسان شدن کنترل، یک مُد الکترومغناطیسی تکی، فضای فازی گسترده تر و قابل کنترل تری را نسبت به اتم ها و سیستم های دو سطحی ارائه می دهد. برای اینکه سیستم کار کند، ناگزیر بودیم چندین محدودیت را بر روی پارامترهایی ایجاد کنیم که به آنها دسترسی داشتیم. بهره گیری از مدارات ابررسانا، یاریگر ما بود، چون استفاده از آن برای تنظیم پارامترهای آنها و کوپل کردن آنها به نور مایکروویو آسان بود. بهره گیری از همان سیستم ها دو باره برای عملیات گوناگون، نیازمند کالیبراسیون های دقیق بسیاری بود و ما ناچار بودیم دنباله های موقتی بهینه ای را برای تحقّقِ این تجربه بیابیم».

هوارد بر روی مفاهیمی از یافته ها تأکید می کند که در مقاله مربوطه بیان شده است و تحت تحریک رزونانس و یا حفره است، معلوم شد که تصرف سطح در طی زمان، نوسان دارد، مشابه با یک سیستم N سطحی. با جلوگیری از هر گونه دسترسی به سطحی از انرژیِ مُد نوری، در واقع به عنوان یک سیستم N سطحی عمل می شود ولی در اینجا چون N را می توان انتخاب کرد و آن را در طول زمان اصلاح کرد، این به گونه ای است که ما یک اتم را با اسپین (N-1)/2 مهندسی کرده ایم که می توان با روشن و خاموش کردن ساده سیگنال های مایکروویو، آن را تغییر داد. جالب خواهد بود که دینامیک چنین ذره ای را مشاهده کنیم که تعداد آن در طول زمان تغییر می کند».

سپس هوارد مطرح می کند که چگونه کنترل دقیق میدان در فضای فازی خودش می تواند کاربردهایی را در اطلاعات کوانتومی و دانش اوزان و مقادیر (مترولوژی) ممکن سازد. «متد ما تکنیک جدیدی است که می تواند حالت های عجیب و غریب کوانتومی مربوط به نور را برای حالت های گربه شرودینگر و یا حالت هایی فراهم سازد که برای اطلاعات کوانتومی یا اهداف مربوط به دانش اوزان و مقادیر مناسب است. این کار با افزایش دقت میدان و یا اندازه گیری های مربوط به موقعیت انجام می شود.» «متد ما را می توان برای محافظت از entanglement نیز به کار برد. entanglement یک منبع اساسی مربوط به اطلاعات کوانتومی است. entanglement برای تصحیح خطای کوانتومی و یا qubit های رمزگذاری شده نیز استفاده می شود که با بهره گیری از حالت های گربه- مانند شرودینگر می باشد.»

در واقع، این مقاله بیان می کند که روش جدید یاد شده، امکان دستکاری در حالت های گربه شرودینگر را با یک روش منحصر به فرد فراهم می سازد. «متد ما، سنگ بنای اساسی است که ایجاد "موچین" های نوریِ فضای فازی را فراهم می سازد. این موچین ها می توانند بخش های مربوط به تابع "ویگنر" را در فضای فازی خودش جایگزین کنند.» (تابع ویگنر، یک توزیع به اصطلاح شبهِ احتمال است که تابع موج شرودینگر را به توزیع احتمال در فضای فازی پیوند می دهد). «بنابراین، بسط دادن یا چرخاندنِ حالت گربه شرودینگر را در فضای فازی، به طور مستقیم ممکن می سازد.»

این موضوع منجر به آن می شود که تصحیح خطای کوانتومی مربوط به گربه- qubit ها (اطلاعات کوانتومی در پایه منطقی که مرکب است از حالت های گربه شرودینگر) به عنوان یک الگوی محاسبه کوانتومی اثر گذار باشد. در واقع هوارد به روشی برای رمزگذاری اطلاعات کوانتومی اشاره می کند که به همراه سوپرپوزیشن های مربوط به حالت های گربه مانند است که به تازگی در زمینه مدار QED توسط "مازیار میر رحیمی" و همکارانش مطرح شده است مبنی بر اینکه یافتن روش هایی برای تصحیح خطای کوانتومی در این حالت ها، برای محاسبه استفاده احتمالی در یک معماری محاسبه کوانتومی، نقشی اساسی دارد.

هوارد گفته است که پژوهشگران به دنبال اثر دلفریبِ اندازه گیری سیستم های کوانتومی هستند. او به عنوان مثال می گوید: «ما اکنون در حال انجام آزمایشی هستیم که سیگنالی را که از سوی یک qubit به محیط نشت می کند و معمولاً سبب ناهمدوس شدن می شود، قطع کنیم. ولی ما اکنون با بهره گیری از این سیگنال می توانیم به آنچه که محیط درباره حالت qubit "می داند"، پی ببریم و خلوص حالت کوانتومی را حفظ کنیم. ما به تازگی، بهره گیری از آن سیگنال را برای جلوگیری از هر گونه حالتی توسط فیدبک مدیریت کرده ایم.» او می افزاید که آنها به اِعمال تکنیک خودشان برای سیستم هایی که زمان همدوسی طولانی تری دارند و نیز حفظ گربه شرودینگر علاقمند هستند.

هوارد با در نظر گرفتن سایر زمینه هایی که ممکن است از این کار مطالعاتی بهره مند شوند، نتیجه گیری می کند که «اکنون بیان این موضوع دشوار است ولی در دراز مدت، تکنیک ما به ساختن شبیه سازها و یا کامپیوترهای کوانتومی کمک می کند و می تواند در بسیاری از زمینه هایی که نیازمند محاسبات سخت می باشند، کمک کند.»

کلمات کلیدی

اشتراک

درباره نویسنده

ابراهیم یگانه

ابراهیم یگانه

با درودهای گرم به همه.

 

*  تحصيلات: لیسانس الكترونيك

*  تاریخ تولد: 1342

*  سابقه کار ترجمه (به جز سایت کوی دانش): همکاری با دارالترجمه ها، شرکت ها و اعضاء هیئت علمی دانشگاه ها و دانشجویان مقاطع تحصیلی مختلف، ترجمه چندین سایت (سایت آمریکایی سرطان، ...)

*  پیشینه شغلی در سایر زمینه ها: مهندس بازنشسته ایران خودرو با تجربه علمی و عملی در زمینه بهینه سازی مصرف انرژی (برق، آب، گاز، هوای فشرده) در صنایع و در محیط های خانگی.

شما اولین نفری باشید که برای این خبر نظر میدهد
تصویر امنیتی



عبارت در تصویر را وارد کنید


مغز انسان برای حس کردن جهان پیرامونی از محاسبات بهره می گیرد

مغز انسان برای حس کردن جهان پیرامونی از محاسبات بهره می گیرد

شاید باور این موضوع برای افرادی که همیشه با ریاضیات مشکل داشتند سخت باشد که مغز انسان بدون اینکه خودِ فرد متوجه باشد بصورت دائمی مشغول انجام حجم گسترده ای از انواع محاسبات است و اتفاقاً اینکار را بسیار خوب هم انجام می دهد. شاهد این مدعا از دانشگاه پرینستون رسیده است. در یک مطالعه جدید محققان این دانشگاه نشان دادند که چگونه مغز ما انسانها، تمامی داده های بدست آمده از محیط اطراف را که توسط حواس مختلف جمع آوری شده است ترکیب می کند تا به یک ارزیابی نهایی از وضعیت برسد که به اخذ تصمیم ها و نوع رفتارهای ما منجر می شود. این موضوع به اینجا هم ختم نمی شود و اگر در طی این فرآیند داده های جدیدی وارد شوند، مغز انسان با انعطاف پذیری حیرت انگیزی آنها را در محاسبات خود وارد کرده و حتی نتیجه محاسبات را تغییر می دهد. برای بررسی بیشتر این موضوع با کوی دانش همراه باشید...

مطالعه متن کامل
کاربرد گرافن به عنوان میکسر فرکانس

کاربرد گرافن به عنوان میکسر فرکانس

یک پروفسور، یک محقق فوق دکترا و یک دانشجوی ارشد بر روی ترامپولین (تشک پرش) پریدند! جمله فوق یک مزاح نیست بلکه آغازی برای توضیح تحقیقات جدید بر روی ماده شگفت انگیز گرافن است. گروهی به سرپرستی روبرتو د آلبا، دانشجوی ارشد فیزیک و Jeevak Parpia پروفسور و رئیس دپارتمان فیزیک، مقاله ای در Nature Nanotechnology راجع به کاربردهای دیگر برای این ماده روان، بسیار قوی و بسیار سبک منتشر کرده اند. در این تحقیق قابلیت استفاده از «تنش گرافن» بعنوان نوعی واسطه بین حالت های ارتعاشی که اجازه انتقال مستقیم انرژی از یک فرکانس به فرکانس دیگر را می دهد، نمایش داده شده است. برای بررسی بیشتر با کوی دانش همراه شوید...

مطالعه متن کامل
اولین شواهد از همنوع خواری نئاندرتال ها در شمال اروپا

اولین شواهد از همنوع خواری نئاندرتال ها در شمال اروپا

وجود آثار و بقایای نئاندرتال ها در مناطقی که در بالای عرض 50 درجه شمالی قرار داشته باشند بسیار کم است و تا کنون نیز فقط در دو نقطه این شواهد بدست آمده است. یکی در منطقه فلدهافر آلمان و دیگری در اسپای بلژیک. مطالعه جدیدی که توسط دکتر هلن راجیر با همکاری آسیر گومژ اولیوینسا از UPV/EHU انجام گرفت باعث کشف بیشترین تعدادِ بقایای کشف شده از نئاندرتال ها در مناطق شمالی اروپا شد. در این مجموعه 5 تایی، بقایای اسکلتی 4 نوجوان (بالغ) و یک کودک به چشم می خورد که در منطقه Troisième caverne در گویت بلژیک کشف شده اند.

مطالعه متن کامل
تعیین محدودیت های موجود برای ساخت شنل نامرئی

تعیین محدودیت های موجود برای ساخت شنل نامرئی

محققانی از دانشگاه تگزاس در آوستین توانستند محدودیتهای اساسی بر سر عملکرد «شنل نامرئی کننده» را تعیین کنند. این شنل یک فناوری است که اجازه نامرئی شدن ویا تشخیص داده نشدن را به جسمِ درونش در برابر امواج رادیویی، امواج مایکروویو، نور مادون قرمز و نور مرئی می دهد. نظریه محققان تاکید می کند که استفاده از شنل برای پنهان کردن شیء درونش در مقابل یک موج خاص قابل انجام است لیکن پنهان کردن آن در برابر یک محیط پرنور (چراغانی) با طول موجهای مختلف بسیار سخت تر می شود که در این حالت تغییر اندازه شیء باعث تغییر فاکتورها و مشکلات بیشتر هم خواهد شد. برای بررسی بیشتر با کوی دانش همراه شوید...

مطالعه متن کامل
در هنگام انقراض دایناسورها، پستانداران نیز تقریباً محو شدند

در هنگام انقراض دایناسورها، پستانداران نیز تقریباً محو شدند

بیش از نود درصد از انواع گونه های پستانداران در دوره کرتاسه (66 میلیون سال پیش) توسط همان دلایلی که دایناسورها را ازبین برد، از بین رفتند. این میزان بسیار بیشتر از آن بود که پیش از این تصور می شد. مطالعه ای که توسط محققان مرکز میلنر در دانشگاه بَث انجام شد و در نشریه Evolutionary Biology نیز منتشر گردید، مطرح می کند که همه انواع شناخته شده پستانداران که در انتهای دوره کرتاسه در آمریکای شمالی می زیسته اند، از بین رفته اند. نتایج این مطالعه نشان می دهد که این میزان معادل 93 درصد از انواع موجود در این دوره بوده است. این مطالعه همچنین بیان می کند که این انقراض، بسیار سریعتر از آنچه تصور می شد انجام گرفته است. برای بررسی بیشتر با کوی دانش همراه شوید...

مطالعه متن کامل
شناسایی قدیمی‌ترین فسیل مارِ شناخته‌ شده

شناسایی قدیمی‌ترین فسیل مارِ شناخته‌ شده

طبق پژوهش‌های اخیر، فسیل جدید که ممکن است قدیمی‌ترین فسیل باقی‌مانده از مار‌ها باشد، به پژوهشگران کمک کرد تا به درک بهتری از چگونگی تکامل جانوران خزنده برسند.

مطالعه متن کامل
کاپشن های گورتکس (Gore-Tex Active) قابلیت تنفسی و آب گریزی را با هم ترکیب کرده است

کاپشن های گورتکس (Gore-Tex Active) قابلیت تنفسی و آب گریزی را با هم ترکیب کرده است

کاپشن گورتکس که مناسب استفاده برای دوچرخه سواری یا دو می باشد هم قابلیت تنفسی و هم ضد آب بودن را در اختیار صاحبش قرار می دهد. در لباس های مخصوص ورزش های دو یا دوچرخه سواری یا قابلیتِ تنفسیِ پوشاک به نفع آب گریزی فدا شده است یا برعکس این حالت را شاهد هستیم. اما کاپشن های وان گورتکس اکتیو بایک و وان گور تکس اکتیو ران ترکیبی از هر دوی این قابلیت ها را با استفاده از ماده جدیدی به نام گورتکس اکتیو فراهم ساخته است که سطح آن هم آب را دفع کرده و هم امکان تنفس بیشتر پوشاک را فراهم می سازد.

مطالعه متن کامل
"راهروی آینه های" نانو، موجب ترکیب مولکول ها با نور می شود

"راهروی آینه های" نانو، موجب ترکیب مولکول ها با نور می شود

محققان توانستند با موفقیت از حالت های کوانتومی استفاده کرده و دست به ترکیب یک مولکول با نور در درجه حرارت اتاق بزنند. نتایج این تحقیق منتهی به اکتشاف یک سری تکنولوژی های کوانتومی شده و شیوه های جدیدی را برای دستکاری خصوصیات فیزیکی و شیمیایی ماده در اختیار می نهد

مطالعه متن کامل
هدستِ ویومستر گوگل (View-Master) چگونه کار می‌کند؟

هدستِ ویومستر گوگل (View-Master) چگونه کار می‌کند؟

باورتان بشود یا نه، اما غرض از این مطلب این نیست که از ویومستر برای مشاهده محتوای عرضه شده توسط گوگل استفاده کنید. ابزار ویومستر صرفاً جعبه‌ای است با یک سوییچ مغناطیسی. یعنی خیلی شبیه گوگل کاردبورد Google Cardboard است. برای «تماشای» حلقه‌های ویومستر (که شبیه «حلقه‌های» نمونه اصلی ویومستر هستند)، صرفاً باید از گوشی هوشمندتان بهره‌گیری کنید. به منظور مشاهده صحیح حلقه‌ها، باید هدست گوگل کاردبورد را داشته باشید و الزامی به داشتن هدست‌های ساخت ماتل Mattel نیست. هدست ویومستر درک بصری مناظری را که مشاهده می‌کنید برایتان ساده‌تر می‌کند.

مطالعه متن کامل
ویدیو: شناسایی اولین پولسار (تپ اختر) ساطع کننده  پرتو گاما در خارج از کهکشان راه شیری

ویدیو: شناسایی اولین پولسار (تپ اختر) ساطع کننده پرتو گاما در خارج از کهکشان راه شیری

درخشان ترین تپ اختر ساطع کننده پرتو گاما که تاکنون شناخته شده ستاره ای نوترونی در سحابی رتیل می باشد.

مطالعه متن کامل