معرفی فیزیک کوانتومی همیشه در ابتدا عجیب به نظر می‌رسد، مثلاً بیان جملاتی مانند:
- یک جسم می‌تواند به طور همزمان در بیش از یک مکان باشد (برهم‌نهی کوانتومی)
- مشاهده، جسم مشاهده‌شده را تغییر می‌دهد (مسئله اندازه‌گیری یا فروپاشی تابع موج)
- دو شیء با هر مقدار فاصله‌ای می‌توانند به طور آنی با یکدیگر ارتباط داشته باشند (درهم‌تنیدگی کوانتومی)
- هیچ چیز را نمی‌توان با قطعیت پیش‌بینی کرد (اصل عدم قطعیت هایزنبرگ)
در نگاه اول شاید این جملات بیشتر به داستان‌های علمی-تخیلی شباهت داشته باشند، اما باید بدانیم آنها (یا اصطلاح علمی آنها درون پرانتز) شالوده موفق‌ترین نظریه کمّی تاریخ علم، یعنی مکانیک کوانتومی را تشکیل می‌دهند. البته پس از مدتی درمی‌یابیم که این جملات تنها برای بشری که از زندگی روزمره به قلمروی ذرات میکروسکوپی پاگذاشته، عجیب می‌نماید، چرا که در فیزیک هر قانون قلمرویی دارد که خارج از آن، عجیب به نظر می‌رسد.
به زبان ساده، مکانیک کوانتومی بیانگر مجموعه قوانین فیزیکی حاکم بر دنیای ذرات میکروسکوپی است. به همین دلیل است که ما انسان‌ها با شهود خوگرفته‌ی خود به دنیای ماکروسکوپی، آن را غیرعادی می‌پنداریم. خبر بد اینکه حتی پس از گذشت بیش از صد سال از تولد این نظریه، هنوز آن را به طور کامل درک نکرده‌‌ایم، اما خبر خوب آنکه، با این وجود توانسته‌ایم از پتانسیل این نظریه در زندگی روزمره بهره ببریم. نتایج این بهره‌برداری، شگفت‌انگیز، و مصداق قانون سوم کلارک بوده‌اند:
هر فناوری به اندازه کافی پیشرفته، از سحر و جادو غیر قابل تشخیص است.
اولین انقلاب کوانتومی، پس از درک جدول تناوبی عناصر، واکنش‌های شیمیایی و فیزیک نیمه‌رساناها از طریق نظریه کوانتومی به وقوع پیوست. میلیاردها ترانزیستور گوشی درون جیب شما، ثمرات اولین انقلاب کوانتومی هستند. فناوری‌های تاثیرگذاری مانند لیزر، GPS و تصویربرداری‌های MRI هم در این فهرست قرار می‌گیرند. بنابراین ما روزانه در حال استفاده از دستگاه‌های زیادی هستیم که اساساً به درک ما از اثرات مکانیک کوانتومی وابسته هستند.
اکنون به انقلاب دوم کوانتومی یا به طور مرسوم‌تر فناوری کوانتومی فکر کنید که در آن حالت‌های کوانتومی را برای توسعه کاربردهای جدید و هیجان‌انگیز، به طور مستقیم دستکاری و اندازه‌گیری می‌کنیم، به طوری که با برنامه‌های کامپیوتری خود بتوانیم به طور همزمان دادههای زیادی را نگاه کنیم، یک واکنش شیمیایی را در کامپیوتر شبیه‌سازی کنیم تا نحوه استفاده بهتر از آن را درک کنیم، استراق‌سمع‌کنندگان را در ارتباطات ایمن پیدا کنیم و حسگری وتصویربرداری را به دقیق‌ترین حدی که قوانین طبیعت اجازه می‌دهند برسانیم. امروزه همه این موارد حداقل به صورت نمونه‌های اولیه در آزمایشگاه‌ها وجود دارند و حالا باید منتظر باشیم تا همه آنها به برنامه‌هایی کاربردی و به نفع عموم تبدیل شوند.
فناوری‌های کوانتومی به سه حوزه کلی محاسبات کوانتومی، ارتباطات کوانتومی و حسگری کوانتومی تقسیم می‌شوند که اساس تمام آنها دو پدیده مهم کوانتومی یعنی برهم نهی و درهم تنیدگی هستند. حوزه فناوری کوانتومی، بسیار وسیع بوده و کتاب‌ها و مقالات زیادی درباره بنیان ریاضیاتی وکاربردهای آن وجود دارد، اما اینجا با توجه به اقتضای فضای مجله، تنها به توضیح بسیار مختصری از آن بسنده می‌کنیم.
برهم نهی کوانتومی بیان می‌دارد که یک ذره می‌تواند به طور همزمان در چند حالت یا چند مکان وجود داشته باشد؛ مانند سکه‌ای که تا وقتی مشاهده نشده، هم شیر است و هم خط. مفهوم برهم‌نهی در مکانیک کوانتومی بنیادی است و به طور تجربی تأیید شده است. مفهوم برهم نهی همچنین می‌تواند به چند ذره تعمیم داده شود که در آن صورت، درهم تنیدگی نامیده می‌شود. این دو اصطلاح اغلب منجر به سردرگمی می‌شوند، زیرا آنها در اصل یک پدیده را توصیف می‌کنند. درهم تنیدگی کوانتومی به حالتی اطلاق می‌شود که دو ذره، فارغ از فاصله بینشان، به یکدیگر وصل شده و حالت کوانتومی مشترکی دارند. این بدان معنی است که اندازه‌گیری ویژگی‌های یک ذره، فوراً روی ذره دیگر تأثیر می‌گذارد.
محاسبات کوانتومی
حوزه محاسبات کوانتومی (Quantum Computing) به شاخه‌هایی مانند سخت‌افزار، نرم‌افزار، الگوریتم‌ها و برنامه‌های کاربردی آنها تقسیم می‌شود. شاخه سخت‌افزار، با عنوان «کامپیوتر کوانتومی» (Quantum Computer) شناخته می‌شود و به یک دستگاه فیزیکی اشاره دارد که از اجزای سخت‌افزاری مانند کیوبیت‌ها و گیت‌های کوانتومی تشکیل شده و برای اجرای محاسبات کوانتومی طراحی شده است.
کامپیوتر کوانتومی: اگرچه امروزه محققان در مواجهه با مسائل دشوار به ابرکامپیوترها (کامپیوترهای کلاسیک بسیار بزرگ دارای هزاران هسته CPU و GPU کلاسیک) روی می‌آورند، اما واقعیت این است که برای حل مسائل به اصطلاح رام‌نشدنی، حتی ابرکامپیوترها هم کارآیی ندارند. مسائل رام‌نشدنی مسائلی هستند که در آنها متغیرهای زیادی با روش‌های پیچیده با هم ارتباط دارند. مثلاً مدل‌سازی رفتار اتم‌ها در یک مولکول یا تعیین مسیرهای ایده‌آل برای چند صد نفتکش در یک شبکه جهانی کشتیرانی نمونه‌هایی از مسائل پیچیده هستند. از طرفی، کامپیوترهای کوانتومی سرعت حل مسائل محاسباتی خاصی را به طور چشمگیری افزایش می‌دهند؛ مانند پردازش سریع حجم وسیعی از داده‌ها برای جستجو در پایگاه‌های داده، حل معادلات و تشخیص الگوها، آموزش سیستم‌های هوش مصنوعی، دستیارهای دیجیتالی پزشکان در تشخیص بیماری‌ها و پیشنهاد درمان‌های نویدبخش.
کامپیوترهای کوانتومی که نسبت به ابرکامیپوترها به انرژی کمتری نیاز دارند، از یک پردازنده کوانتومی و یک سیستم سخت‌افزاری کوانتومی تشکیل شده‌اند. پردازنده کوانتومی خیلی بزرگتر از نمونه‌های موجود در لپ‌تاپ‌های امروزی نیست، اما سیستم سخت‌افزاری به اندازه یک ماشین است که بیشتر از سیستم‌های خنک‌کننده تشکیل شده تا پردازنده را در دمای عملیاتی فوق‌العاده سرد نگه دارد.
شاخص‌ترین مفهوم در قلب محاسبات کوانتومی، کیوبیت (qbit) نام دارد. اگرچه بیت‌های کلاسیکی فقط می‌توانند در یکی از حالات صفر یا یک باشند، کیوبیت‌ها به دلیل برهم‌نهی کوانتومی می‌توانند به طور همزمان در چند حالت ({صفر}،{یک} و {صفرویک به طور همزمان}) باشند؛ به این معنا کیوبیت‌ها را می‌توان همتایان کوانتومی بیت‌های کلاسیکی دانست. بدین ترتیب یک پردازنده کلاسیکی برای انجام عملیات خود از بیت‌ها استفاده می‌کند، اما یک کامپیوتر کوانتومی برای اجرای الگوریتم‌های کوانتومی چند بعدی از کیوبیت‌ها بهره می‌گیرد.
کیوبیت‌ها (مانند تک‌اتم‌ها، یون‌ها، فوتون‌ها یا مدارهای الکترونیکی کوانتومی)، موجوداتی فوق‌العاده حساس هستند و کوچکترین اختلالی، برهم‌نهی یا درهم‌تنیدگی آنها را از بین برده (که به آن واهمدوسی می‌گویند) و سیستم محاسباتی را بلااستفاده می‌کند. در واقع لپ‌تاپ شما با یک فن به اندازه کافی خنک می‌شود، اما پردازنده‌های کوانتومی برای جلوگیری از واهمدوسی، باید تا حدود یک‌صدم کلوین سرد شوند، یعنی چیزی حدود ۲۷۰ برابر سردتر از عمق تاریک کیهان!
قرار دادن اطلاعات کوانتومی در حالت برهم‌نهی کیوبیت‌ها می‌تواند فضاهای محاسباتی پیچیده و چند‌بعدی ایجاد کند که قابلیت نمایش مسائل پیچیده را دارند. همچنین الگوریتم‌های کوانتومی از کیوبیت‌های در‌هم‌تنیده برای یافتن راه‌حل‌هایی برای مسائل پیچیده استفاده می‌کنند. بنابراین استفاده از برهم نهی و درهم تنیدگی کوانتومی برای نمایش و دستکاری اطلاعات باعث می‌شود تا کامپیوترهای کوانتومی نسبت به همتایان کلاسیکی خود، منابع فیزیکی و عملیات کمتری برای حل مسائل نیاز داشته باشند. در حال حاضر، IBM در زمینه سخت‌افزار و نرم‌افزار محاسبات کوانتومی در جهان پیشتاز است.
شبیه‌سازی کوانتومی
شبیه‌سازهای کوانتومی ارتباط نزدیکی با کامپیوترهای کوانتومی دارند و حتی در برخی موارد می‌توان آنها را کامپیوترهای کوانتومی تخصصی به حساب آورد. شبیه‌سازی کوانتومی می‌تواند به ما در درک بهتر سیستم‌های پیچیده، مانند واکنش‌های شیمیایی یا رفتار مواد در سطح اتمی کمک کند. شبیه‌سازهای کوانتومی کلید طراحی مواد شیمیایی جدید خواهند بود؛ از داروها گرفته تا کودهای شیمیایی یا حتی ابررساناهای دمای بالا برای توزیع بدون هدررفت انرژی.
حسگری کوانتومی
حسگری کوانتومی (Quantum Sensing) با ارائه دقیق‌ترین اندازه‌گیری‌ها، عملکرد دستگاه‌ها و خدمات مصرف‌کننده را به شدت بهبود می‌بخشد؛ از تشخیص پزشکی و تصویربرداری گرفته تا ناوبری با دقت بالا و برنامه‌های کاربردی آینده در اینترنت اشیا. این فناوری از پدیده‌های کوانتومی استفاده کرده و کوچکترین اختلالات را تشخیص می‌دهد، زیرا بر پایه تک‌الکترون‌ها، کوچکترین بارها و آهن‌رباهای ممکن کار می‌کند. حسگرهای کوانتومی، زمان، دینامیک (یعنی نیروها، شتاب و چرخش) و میدان‌ها (یعنی گرانشی، الکترومغناطیسی و مکانیکی) را با دقت بی‌سابقه‌ای اندازه‌گیری می‌کنند.
مترولوژی کوانتومی و تصویربرداری کوانتومی دو حوزه دیگری هستند که معمولا در کنار حسگری کوانتومی از آنها نام برده می‌شود، اما تفاوت ظریفی با آن دارند. حسگرهای کوانتومی از خواص کوانتومی برای اندازه‌گیری کمیت‌های فیزیکی مانند میدان‌های مغناطیسی، دما و گرانش استفاده می‌کنند، اما مترولوژی کوانتومی حوزه وسیع‌تری است که بر استفاده از اصول مکانیک کوانتومی برای بهبود دقت اندازه گیری‌ها فراتر از محدودیت‌های کلاسیک مانند توسعه تکنیک‌ها و فناوری‌های جدید اندازه‌گیری تمرکز دارد. همچنین تصویربرداری کوانتومی تکنیکی است که از خواص کوانتومی برای افزایش وضوح و حساسیت سیستم‌های تصویربرداری استفاده می‌کند و امکان تشخیص و تجزیه‌تحلیل بهتر اجسام در سطح نانو مانند تصویربرداری پزشکی و حسگری از راه دور را فراهم می‌کند.
ارتباطات کوانتومی
ارتباطات کوانتومی به محافظت از انتقال دیجیتالی دادههای شهروندان، به عنوان مثال سوابق سلامت و تراکنش‌های مالی کمک می‌کند. با این فناوری می‌توانیم به امن‌ترین شکل ارتباط شناخته‌شده یعنی «غیر ممکن بودن رهگیری، بدون شناسایی‌شدن» دست یابیم. بنابراین، امنیت به این معنا تضمین می‌شود که تداخل استراق سمع‌کنندگان را می‌توان شناسایی و اندازه‌گیری کرد. از این فناوری کوانتومی می‌توان برای شبکه‌سازی حسگرهای کوانتومی برای همبستگی و افزایش حساسیت در مناطق بزرگ (مثلاً همگام‌سازی ساعت‌ها در یک شبکه ارتباطی) و شبکه‌سازی کامپیوترهای کوانتومی برای تبادل مؤثر داده‌ها و افزایش توان محاسباتی استفاده کرد. ارتباطات کوانتومی همچنین می‌توانند برای انتقال ایمن داده‌ها بین دستگاه‌های کلاسیک (مثلاً توزیع کلیدهای رمزنگاری) یا دسترسی ایمن به کامپیوترهای کوانتومی از راه دور استفاده شوند. ارتباطات کوانتومی در حال حاضر به صورت ارتباط نقطه به نقطه وجود دارند و پس از آن می‌توانند به یک اینترنت کوانتومی توسعه یابند.
انقلاب فناوری‌های کوانتومی
امروزه برنامه‌های هوشمندی چون ChatGPT و ترانزیستورهایی تقریباً به اندازه یک اتم ساخته‌ایم. گوشی‌های هوشمند امروزی قدرت محاسباتی یک کامپیوتر نظامی ۵۰ سال پیش را دارند که به اندازه یک اتاق کامل بود. اما حتی با وجود این پیشرفت‌های خارق‌العاده، همچنان مسائلی وجود دارند که فناوری‌های موجود برای حل آنها ناکارآمد و حتی ناکافی‌اند. به نظر می‌رسد راه حل ماجرا، فناوری کوانتومی باشد. تصادفی نیست که غول‌های دنیای فناوری مانند IBM ، گوگل، مایکروسافت و بسیاری از دولت‌های بزرگ جهان در حال سرمایه‌گذاری روی فناوری کوانتومی هستند. در بخش بعد به سراغ آمار و ارقام این سرمایه‌گذاری‌ها می‌رویم.
