انقلاب فیزیک کوانتومی در راه است

فرارو- "لیام هال" که در مزرعه‌ای در استرالیا بزرگ شد یک مکانیک بود که بند انگشت هایش چرب و خراشیده می‌شد، اما در سالیان اخیر حرفه او چرخش فنی تری پیدا کرده است. او اکنون رئیس بیوتکنولوژی کوانتومی در CSIRO یا آژانس ملی علوم استرالیا است. او می‌گوید: "پیش زمینه شغلی من قدری عجیب و غریب ست. من همواره می‌خواستم مکانیک دیزل شوم. انجام کار در آن عرصه باعث شد تا تصمیم بگیریم در دانشگاه در رشته مهمندسی تحصیل کنم. تحصیل در رشته مهندسی من را با فیزیک و سپس با فیزیک کوانتوم آشنا ساخت. شاید بتوانم در توصیف زندگی ام و مسیری که به اینجا رسیدم بگویم شبیه ترن هوایی بوده است"!

به گزارش فرارو به نقل از  بی بی سی، تیم تحت رهبری "لیام"  در حال توسعه فناوری‌های تشخیصی بوده و از حسگر‌های میکروی ساخته شده از برش‌های کوچک الماس با اندازه حدود ۵۰ نانومتر (حدود ۱۰۰۰ برابر ظریف‌تر از موی انسان) برای آزمایش سطح آهن بیماران استفاده کرده است. در روش‌های فعلی پروتئینی به نام فریتین سازوکار ذخیره سازی آهن بدن را کنترل می‌کند. در حالی که نظارت بر فریتین راه خوبی برای اندازه گیری آهن است اندازه گیری سطح واقعی آهن در داخل پروتئین دقیق‌تر است. یکی از راه‌های انجام این کار  اندازه گیری میدان‌های مغناطیسی کوچک تولید شده توسط آهن است. با این وجود، یک مشکل بزرگ در این رویکرد وجود دارد. "لیام هال" می‌گوید:"میدان مغناطیسی کاملا کوچک و خارج از اندازه گیری هر مغناطیس سنج یا میکروسکوپ سنتی است". با این وجود، او اشاره می‌کند که حسگر‌های کوانتومی در مقایس نانو می‌توانند آن میدان‌های کوچک را شناسایی کرده و اندازه گیری کنند.

او می‌گوید این فناوری در آینده می‌تواند به مثابه یک پرچم اولیه برای هر نوع بیماری و هورمون‌ها یا پروتئین‌هایی که ممکن است نشان دهنده سرطان باشد، قلمداد شود. او می‌افزاید:"همواره مزیت سیستم‌های کوانتومی این بوده که می‌توان از طریق آن‌ها به حساسیت بسیار بهتر و شناسایی آسان‌تر مواد شیمیایی با هزینه بسیار کم‌تر دست یافت".

"ویلیام هال" بخشی از تلاش جهانی برای توسعه فناوری‌های کوانتومی است. بریتانیا، چین، ایالات متحده و کشور‌های دیگر، همگی در تلاش هستند تا از خواص عجیب مکانیک کوانتومی بهره برداری کنند.

پروفسور "برونوین فاکس" دانشمند ارشد CSIRO می‌گوید: "کوانتوم یکی از امیدوارکننده‌ترین فرصت‌های رشد استرالیا است: فرصتی برای ایجاد بازار‌ها و برنامه‌های کاربردی جدید".

مکانیک کوانتومی در اوایل قرن بیستم از مطالعات کوچک‌ترین اجسام طبیعت پدیدار شد. دانشمندان بر این باورند که مکانیک کوانتومی ظرفیت بالقوه گسترش درک ما از جهان و حل مشکلات پیچیده با سرعتی رعدآسا را دارد.

طیف وسیعی از برنامه‌های کاربردی وجود دارند؛ از پیشرفت در علم محیط زیست و کربن زدایی گرفته تا امنیت سایبری و دارو‌های جدید. ممکن است مولکول‌هایی وجود داشته باشند که کربن را می‌خورند و آن را از اتمسفر خارج می‌کنند یا باتری‌های کوانتومی وجود داشته باشند که به خودرو‌ها نیرو می‌بخشند و یا هواپیما‌هایی باشند که برای کاهش انتشار گاز‌های گلخانه‌ای طراحی شده و یا لجستیک حمل و نقل که برای کاهش تراکم جاده‌ها طراحی شده اند.

یکی از جاه طلبی‌های تحقیقات کوانتومی استفاده از قدرت ذرات زیر اتمی برای ذخیره و پردازش داده‌ها است. علیرغم آن که در محاسبات معمولی اغلب از بیت (صفر و یک) استفاده می‌شود رایانه‌های کوانتومی از کیوبیت‌ها استفاده می‌کنند که می‌توانند به صورت صفر، یک یا ترکیبی از هر دو در یک زمان وجود داشته باشند. اینجاست که چیز‌ها کمی عجیب می‌شوند جایی که ذرات می‌توانند در چندین حالت به طور همزمان وجود داشته باشند (به این حالت برهم نهی  (Superposition) می‌گویند) و هم چنین با یکدیگر در هم تنیده (یا درهم تنیده) شوند.

پروفسور فاکس می‌افزاید: "با استفاده از اصل برهم نهی کوانتومی همراه با پدیده کوانتومی دیگری به نام درهم تنیدگی شما این امکان را پیدا می‌کنید که محاسباتی را انجام دهید که با استفاده از رایانه‌های معمولی غیر ممکن هستند. این موضوع امکان را برای انجام محاسبات بسیار شگفت انگیزی که می‌توانند جهان را تغییر دهند فراهم می‌سازد".

او می‌افزاید:"سویه دیگری از کووید یا یک پاندمی وحشتناک دیگر را تصور کنید. هنگامی که ساختار مولکولی آن را درک کردید که می‌تواند با استفاده از تکنیک‌های آزمایشی استاندارد انجام شود سپس می‌توانید با استفاده از رایانه کوانتومی نحوه ساخت مولکولی را محاسبه کنید که به طور خاص به ان ویروس حمله می‌کند. در آن صورت با استفاده از رایانه کوانتومی شما آن مشکل را نه در بازه زمانی شش یا نه ماه‌ای که واکسن کووید ساخته شد بلکه آن را یک روزه حل می‌کنید".

البته محاسبات کوانتومی پیچیده بوده و درک آن آسان نیست. ذرات خاص اغلب فوتون‌ها یا تکه‌های نور می‌توانند همزمان در دو مکان باشند، اما به شدت به هم متصل می‌مانند حتی اگر از نظر فیزیکی به هم متصل نباشند. اگر صادقانه بگوییم هیچ کس در جهان اصول در هم تنیدگی را به طور کامل درک نمی‌کند. آیا اینترنت کوانتومی وجود خواهد داشت؟ کاملا امکان پذیر است. داده‌ها ممکن است از طریق فیبر‌های نوری با استفاده از ذرات نور ارسال شوند که شنود یا هک شدن آن‌ها تقریبا غیرممکن است. در ایالات متحده دانشگاه شیکاگو یکی از طولانی‌ترین شبکه‌های کوانتومی آن کشور را ساخته که تقریبا دو هزار کیلومتر طول دارد و حال رشد است.

"دیوید آوشالوم" استاد مهندسی مولکولی و فیزیک در دانشکده مهندسی مولکولی پریتزکر دانشگاه شیکاگو انتظار دارد تا سال ۲۰۳۵  میلادی ۳۰ هزار شغل کوانتومی ایجاد کرده و ۵۰ میلیارد دلار برای اقتصاد امریکا به ارمغان آورد. این همکاری‌ای علمی با کارشناسان در استرالیا، هند، ژاپن، هلند است.

او می‌گوید:"در این مسیر چالش‌های مهمی وجود دارد که باید بر آن غلبه کرد. برای مثال، با محاسبات کوانتومی ما روی حفظ انسجام کوانتومی کار می‌کنیم که به معنای دست نخورده نگه داشتن یک سیستم کوانتومی است. تصحیح خطا به معنای تشخیص و تصحیح خطا‌های ناشی از عدم انسجام است. هم چنین، مقیاس پذیری بدان معناست که قادر به افزایش تعداد کیوبیت‌ها در یک سیستم کوانتومی برای حل مسائل پیچیده‌تر هستیم. سال‌ها تحقیق پر زحمت در راه است، اما به نظر می‌رسد آینده به سرعت به سمت ما می‌آید".

هوش مصنوعی کوانتومی یکی از حوزه‌های کلیدی تحقیق است. یادگیری ماشینی و هوش مصنوعی از نظر محاسباتی بسیار فشرده است و محاسبات کوانتومی نوید قدرت محاسباتی را می‌دهد. برای مثال، در مورد خودرو‌های خودران یا پهپاد‌هایی که در میدان‌های جنگ با سلاح‌های مرگبار پرواز می‌کنند باید پرسید آیا می‌توان به هوش مصنوعی اعتماد کرد؟ پژوهشگران دریافته اند که ادغام محاسبات کوانتومی در هوش مصنوعی منجر به ایجاد سیستم‌های قابل اعتمادتر می‌شود.