هشتاد و دومین جلسه باشگاه فیزیک اصفهان با عنوان «جهان کوانتومی، فناوری‌های کوانتومی و راهی که باید طی کنیم» در تاریخ ۱۰ بهمن ماه ۱۴۰۲، در تالار میرزاخانی واقع در شهر علم اصفهان برگزار شد. در این برنامه، وحید کریمی‌پور، عضو هیئت علمی دانشگاه صنعتی شریف، به ذکر نکاتی درباره ویژگی‌های کوانتومی جهان، چگونگی ظهور فناوری‌های کوانتومی، قدرت خارق‌العاده آن‌ها و همچنین راهی که کشور ما باید طی کند تا با این فناوری‌های نوظهور همراه شود، پرداخت.
این عضو هیئت علمی دانشگاه با معرفی جهان کوانتومی اظهار کرد: اگر از قرن چهار قبل از میلاد و دوران ارسطو آغاز کنیم، متفکرین و دانشمندان به طور کلی با سوال مواجه بودند؛ از جمله اینکه «جهان از چه ساخته شده است؟» و «حرکت چگونه صورت می‌گیرد؟». در اینجا با پرسش اول کاری نداریم، اما برای پاسخ به آن به چهار عنصر بنیادین (آب، باد، خاک و آتش) تشکیل‌دهنده جهان اشاره می‌کنیم.
وی افزود: توجیه حرکتی هر یک از این عناصر این گونه است که هر کدام مکانی طبیعی را به خود اختصاص داده‌اند. به‌عنوان مثال، مکان طبیعی خاک از سایرین پایین‌تر است و پس از آن آب، سپس هوا و بالاتر از همه، آتش قرار دارد. با همین تئوری بسیاری از حقایق توصیف می‌شوند؛ مثلا اینکه سنگ رها شده با عبور از هوا به خاک بازمی‌گردد یا حرکت شعله‌های آتش به سمت بالا است.
این استاد دانشگاه ادامه داد: همچنین ارتباط جالبی نیز میان این توجیه و ریاضیات و مفاهیم انتزاعی کشف شد و از نظر هندسی به هر عنصر شکلی را اختصاص دادند. در همان زمان نیز افلاطون اثبات کرده بود که تنها پنج چندوجهی منتظم وجود دارد. هر چندوجهی متناظر با یکی از این عناصر بود؛ به عنوان مثال، خاک با مکعب (قرارگیری مکعب‌ها در کنار هم ساختاری محکم را به وجود می‌آورد)، آتش با هرم چهاروجهی (گوشه‌های تیز و سوزانندگی آن با هم متناسب است)، آب با ۲۰ وجهی (خاصیت لغزندگی اتم‌های آب بر یکدیگر) و ... در نتیجه برای هر یک از عناصر یک مکان، حرکت و تناظر با مفاهیم انتزاعی ریاضی داریم.
کریمی‌پور تصریح کرد: این تئوری موفق بود و حدود ۲۰۰۰ سال دوام داشت اما به تدریج دقیق‌تر شد. مکانیک کلاسیک و مکانیکی که امروزه می‌شناسیم، با فعالیت گالیله و نیوتن آغاز شد. نیوتن در کتابی به نام «اصول ریاضی فلسفه طبیعی» گرانش و مکانیک را به گونه‌ای امروزه می‌شناسیم، معرفی می‌کند و می‌گوید چیزی به نام حرکت طبیعی وجود ندارد و برای هر حرکتی نیرو لازم است. (F=ma قانون دوم نیوتن) تنها کافی است که در لحظه صفر مکان و سرعت یک ذره را داشته باشیم تا مسیر مشخص شود.
او اضافه کرد: اکنون می‌توانیم بپرسیم که چگونه الکترون‌ها در درون اتم حرکت می‌کنند؟ این موضوع در ابتدای قرن ۲۰ مشغله فکری فیزیکدانان و شیمیدانان بود. ۳۰۰ سال پس از نیوتن، به مکانیک کوانتومی دست یافتیم که متوجه شدیم قوانین مکانیک نیوتن برای درون اتم صادق نیست. مهم‌ترین کسانی که دریچه دنیای کوانتومی را به روی ما گشودند انیشتین، پلانک و بور بودند. در فاصله سال‌های ۱۹۰۰ تا ۱۹۱۳ تمامی مفاهیمی که از قبل داشتیم واژگون شد و وارد دنیای جدیدی به نام دنیای کوانتومی شدیم.
وی ادامه داد: با کنار رفتن معادلات مکانیک نیوتنی، معادلات جدیدی برای دنیای درون اتم‌ها توسط هایزنبرگ نوشته شد. نکته اصلی، اصل عدم قطعیت است، به این معنا که با فرض آگاه بودن نسبت به مکان و سرعت ذره در لحظه صفر می‌توانیم چگونگی مسیر را متوجه شویم، اما نشان داده شد که این تصور اشتباه بود، چرا که قادر به تعیین همزمان مکان و سرعت نیستیم که این ناتوانی ناشی از ضعف تکنولوژیک نیست، بلکه به‌صورت اصولی امکانپذیر نیست.
کریمی‌پور با بیان اینکه معادله‌ای به نام شرودینگر داریم که جایگزین F=ma شد، ادامه داد: می‌توانیم به طور احتمالاتی بگوییم که یک ابر الکترونی چگونه حرکت می‌کند، اما اینکه بگوییم الکترون در کدام قسمت از این ابر وجود دارد، امکانپذیر نیست. این عصاره مکانیک کوانتومی است.
وی در بخش دوم صحبت‌های خود به فناوری‌های کوانتومی اشاره کرد و افزود: این چارچوب مکانیک کوانتومی مبنای تمامی تکنولوژی قرن ۲۰ است. فناوری‌های کوانتومی محصول ۲۰ سال اخیر و زمانی که وارد قرن ۲۱ شدیم است که قابل مقایسه با فناوری‌های پیشین نیست و حاصل پیشرفت در زمینه فیزیک اتمی، مولکولی و اپتیک در فاصله بین ۱۹۶۰ تا ۲۰۲۰ است.
وی یادآور شد: این فناوری‌های کوانتومی حداقل بر چهار حوزه تاثیر دارند که به سه مورد از آن‌ها یعنی رایانش کوانتومی، اطلاعات کوانتومی و حسگرهای کوانتومی به طور مختصر می‌پردازیم. منظور از رایانش کوانتومی کامپیوتری با سرعت پردازش بسیار بالا است که برای ذخیره‌سازی و حل مسائل مورد استفاده قرار می‌گیرد. به این صورت که اگر برای حل مسئله‌ای از کامپیوتری کلاسیک استفاده کنیم و پردازش آن ۱۰ هزار سال طول بکشد، اما اگر بخواهیم با کامپیوتر کلاسیک آن مسئله را حل کنیم، به جای یک کامپیوتر از ۱۰ کامپیوتر استفاده می‌کنیم و این زمان به یک هزار سال کاهش می‌یابد، ولی این مدت نیز زمان زیادی است. در مقابل، اگر از کامپیوتر کوانتومی استفاده کنیم، ممکن است همان مسئله را در دو دقیقه حل کنیم.
کریمی‌پور درباره ویژگی‌های اطلاعات کوانتومی، اظهار کرد: دنیای امروزه دنیای مبادله اطلاعات است، هدف این است که تمامی پیام‌ها را بشنوید، ولی معنای آن‌ها را متوجه نشوید. فقط مخاطب پیام است که آن را متوجه می‌شود. مسئله ما این است که با مکانیک کوانتومی ممکن می‌شود. چنین حالتی از یک شی کوانتومی هیچ ویژگی ذاتی ندارد، به خودی خود معنا دارد ولی ویژگی‌های آن معنا ندارد مگر اینکه مشاهده شوند که به چگونگی مشاهده وابسته است. بنابر این، اینکه ویژگی ذاتی اشیای کوانتومی بر اثر مشاهده پدیدار می‌شود، بسته به نوع مشاهده، مبنای اصلی رمزنگاری کوانتومی است.
او ادامه داد: همچنین نشان داده شده که حالت‌های کوانتومی و ذرات کوانتومی قابل کپی کردن نیستند که یکی از راه‌های سرقت پیام‌ها کپی کردن است.
وی همچنین درباره حسگرهای کوانتومی گفت: در تکنولوژی و فناوری کوانتومی با ایجاد تغییراتی در درون اتم می‌توان آن را از حالت پایین به‌صورت پله به پله بالا برد؛ هنگامی که به بالا می‌رسد باد کرده و توده‌ای بزرگ می‌شود که چنین اتمی مانند یک آنتن بسیار حساس عمل می‌کند و به این ترتیب است که می‌توان فوتون‌ها را شناسایی کرد که نوبل ۲۰۱۲ نیز به همین خاطر اعطا شد. یکی دیگر از کاربردهای حسگرهای کوانتومی در ثبت میدان گرانش یا انواع آن است.
کریمی‌پور در بخش سوم صحبت‌های خود، یعنی راهی که باید طی کنیم، اظهار کرد: قصد داریم در این جلسه راهی به قسمت واقع‌گرایانه پیدا کنیم که این قسمت علاوه بر غمگین بودن، خنده دار نیز است. در بیانیه منتشر شده توسط انجمن فیزیک در سال ۱۳۹۹، بر چندین اصل تاکید شده است. برخی از آن‌ها عبارتند از: به جای رقابت، همکاری بین‌المللی صورت گیرد. پرهیز از خود ارزیابی، به این معنا که به جامعه بین‌المللی علمی حق ارزیابی بدهیم، خصومت و عداوتی وجود ندارد، بلکه برای همکاری‌های بین‌المللی در همه جای دنیا آغوش باز وجود دارد، وجود سرمایه‌گذاری قابل قبول مادی، پرهیز از شتابزدگی و اقدامات نمایشی و اهتمام به تقویت زیرساخت‌های علمی و فناوری و نیز توجه به مزیت نسبی کشور لازم است تا افراد، آزمایشگاه‌ها، دانشگاه‌ها، شهرها و ... را تقویت کنیم و میان آن‌ها و جامعه بین‌المللی همکاری ایجاد کنیم.
سپس این عضو هیئت علمی دانشگاه صنعتی شریف، با اشاره به خبری که در سال‌های گذشته در خبرگزاری‌ها درباره نقض قانون دوم نیوتن با تولید ماده‌ای با جرم منفی منتشر شده بود، خاطرنشان کرد: ماده‌ای با جرم منفی کشف نشده و صحت ندارد، از این رو بر موارد ذکر شده در زمینه کوانتومی نیز تاثیری ندارد.
انتهای پیام