کامپیوترهای کوانتمی

آیا تاکنون نام قانون مور را شنیده‌اید؟ حدود 40 سال پیش، «گوردون مور» (Gordon Moor) از بنیان‌گذاران شرکت «اینتل» با در نظر‌گرفتن روند تغییر میزان پیچید‌گی مدارهای میکرو‌الکترونیک پیش‌بینی کرد این میزان هر‌سال دو برابر شود.معیار اندازه‌گیری این پیچیدگی تعداد ترانزیستور در واحد سطح بود. بر اساس این پیش بینی، هر سال ‌IC هایی به بازار می‌آمدند که تعداد ترانزیستورهای آن‌ها در واحد سطح، دو برابر سال قبل بود. این پیش‌بینی کم‌کم به‌عنوان شاخصی برای پیش‌بینی آینده‌ی صنعت میکروالکترونیک تبدیل شد و نام قانون به خود گرفت .

اما لحظه‌ای تامل کنید: دو برابر شدن تعداد ترانزیستورها یعنی نصف شدن ابعاد آن‌ها!بدیهی است که برای کوچک‌شدن ابعاد ترانزیستورها حد پایینی وجود دارد. به این معنی که اندازه‌ی چیپ‌های سیلیکونی سرانجام به جایی میرسد که از حدود ابعاد اتمی بزرگ‌تر نخواهد ‌بود و فیزیک حاکم برابعاد اتمی دیگر از قوانین کلاسیک پیروی نمی‌کند.ومشکل دقیقا از همین‌جا شروع می‌شود:

از یک‌سو برای افزایش سرعت پردازش داده‌ها باید ترانزیستورهای تراشه‌ها کوچک‌تر شوند تا الکترون‌ مسیر کوتاه‌تری بپیماید و از سوی دیگر کوچک شدن ابعاد تراشه‌ها سبب بروز مشکلات ترمودینامیکی می‌شود به این معنی که دمای تراشه‌ها به سرعت افزایش می‌یابد و در نهایت کارکرد کلی سیستم را کاهش می‌دهد.

مجموعه‌ی تمام این مشکلات پرسش جدیدی را پیش روی دانشمندان نهاد:

آیا می‌توان نوع جدیدی از کامپیوتر بر اساس اصول کوانتم مکانیک طراحی کرد؟

فیزیکدان مشهور،«ریچارد فاینمن»، در زمره‌ی اولین افرادی بود که در جستجوی پاسخی برای این پرسش برآمد ودر این راستا درسال 1982 میلادی مدلی انتزاعی برای چگونگی انجام محاسبات مبتنی بر اصول کوانتم مکانیک ارائه کرد. کامپیوتر‌کوانتومی باید با کامپیوتر‌کلاسیک، یعنی همین کامپیوتری که در مقابل شما قرار‌دارد، تفاوت اساسی داشته‌ باشد. به این نکته توجه کنید که اگر‌چه کامپیوتر‌های کنونی بر قله‌ی پیشرفت فناوری‌های رایانه‌ای ایستاده‌اند ، با‌نهایت شگفتی،بر‌اساس اصول کارکرد با اجداد غول‌پیکر 30 تنی خود که به 18000 لامپ خلا و500 مایل سیم مجهز بودند تفاوت چندانی ندارند. یعنی اگر‌چه فشرده‌تر ونیز به‌طور چشم‌گیری درانجام فرآیندهای محاسباتی سریع‌تر شده‌اند، نحوه‌ی عمل‌کرد آن‌ها اصولا ثابت مانده است.

واحد اطلاعات در کامپیوتر‌های کلاسیک بیت است که با 0و1 نمایش داده می‌شود وهر بیت به لحاظ فیزیکی به کمک یک سیستم ماکروسکوپی مانند مغناطیدگی دیسک سخت یا باردارشدن خازن مشخص می‌شود اما در یک کامپیوترکوانتمی واحد اطلاعات کیوبیت (qbit) است و مقادیر صفر، یک و یا حتی یک برهم‌نهی کوانتمی ازاین دو را در بر‌می‌گیرد و بنابراین دودویی نیست پس دیگراز چارچوب منطق «بولی» تبعیت نمی‌کند وبه جای آن ازچارچوب «منطق کوانتومی» پیروی می‌‌کند. یک مثال برای اجرایی کردن ایده‌ی طراحی کامپیوتر‌های کوانتومی، استفاده از ذره‌هایی است که دو حالت اسپینی دارند.(اسپین یک خاصیت ذاتی ذره است که مشابه کلاسیک ندارد و با یک تقریب ساده‌‌انگارانه می‌توان آن‌ راهم‌چون حرکت وضعی زمین، چرخش الکترون به دور خودش دانست. )

درصورت ساخت کامپیوترهای کوانتمی بزرگ، این کامپیوترها قادر خواهند بود مسائلی را که کامپیوتر‌های کنونی برای حل آن‌ها نیاز به زمان و حافظه‌ی زیادی دارند با صرف زمان وهزینه‌ی کم‌تر (به طور نمایی سریع‌تر) حل کنند. مثلا اگر فرض کنیم تجزیه یک عدد بسیاربزرگ به عوامل اول آن برای کامپیوترهای کنونی به مدت زمانی از مرتبه‌ی طول عمر عالم نیازداشته باشند، کامپیوترهای کوانتومی این عمل راتنها در مدت چند ثانیه انجام می‌دهند.

محاسبات کوانتمی در مرز مشترک فیزیک، علوم‌کامپیوتر، تکنولوژی اطلاعات، وفناوری نانو قرار دارد. این رشته‌ی نوظهور درطی ده سال گذشته توجه ویژه‌ی دولت‌ها وسرمایه‌گذاری‌های کلان صنایع را به خود اختصاص داده است.یکی از مهم‌ترین کاربرد‌های محاسبات کوانتومی ،رمزنگاری کوانتومی است که در انتقال محرمانه‌ترین پیغام‌ها،نظیر پیام‌های بانکی ونظامی استفاده می‌شود.

اگرچه محاسبات کوانتومی هنوز دوران کودکی خود را سپری می‌کند، پژوهش در هر دو حوزه‌ی تئوری وعملی با سرعت چشم‌گیری پیش می‌رود.

سیاهچاله و بحث گسستگی فضا و زمان

سیاهچاله

یک تئوری جدید عنوان می کند که احتمال دارد اطلاعاتی که درون یک سیاهچاله فرو می ریزد در آینده‌ای دور ظهور مجدد کند.

 اگر سیاهچاله یک کتاب را ببلعد چه اتفاقی برای اطلاعات درون کتاب رخ می دهد؟

آخرین پژوهش گروهی از فیزیکدانان عنوان می کند که سیاهچاله نهایتا در آینده‌ای دور تمامی محتویات کتاب را به بیرون پرتاب می کند. حتی یک سیاهچاله هم نمی‌تواند اطلاعات را نابود کند.

برای چندین دهه این سوال جدال بین مکانیک کوانتمی و فرضیه نسبیت عام انیشتین را شکل داده بود. مکانیک کوانتمی بر این موضوع اصرار دارد که اطلاعات موجود در حالات کوانتمی حفظ می شوند. بدین معنی که نه فقط کلمات کتاب بلکه شرح کامل تمامی اتم‌ها و ذرات حفظ می‌شود؛ بنابراین، با نگاه به هر سامانه‌ای حالت وجودی گذشته آن را می توان به صورت نظری تصور کرد.

به نظر می رسد که اینشتین عنوان می کرد که اطلاعات می تواند نابود شود. هر چیزی که به درون سیاهچاله سقوط کند محکوم به فنا است زیرا بر اساس نسبیت عام به یک "تکینگی" در فضا- زمان مواجه می شود. در محیط تکینگی گرانش بینهایت است و در نتیجه تمامی ساختارها نابود می شوند.

می توان تکینگی را لبه کیهان در نظر گرفت، بنابراین هر چیزی که با آن برخورد کند دیگر وجود ندارد.

آبهی آشتکار فیزیکدان نظری از دانشگاه دولتی پنسیلوانیا می گوید: « فضا-زمان نسبیت عام در محیط تکینگی به آخر خط می‌رسد و دیگر وجود ندارد.»

در دهه 1970 استفان هاوکینگ عنوان کرد که سیاهچاله ها «نشت» می کنند؛ اما در اواخر دهه 1990، این نظریه هاوکینگ به دلیل اینکه با مکانیک کوانتمی دچار مشکل شد طرفداران خود را از دست داد.

نظریه‌ای که به تازگی توسط آشتیکار و همکاران وی مطرح شد می گوید که فضا زمان بزرگتر از آن چیزی است که تصور می شد و بنابراین جایی برای ظهور مجدد اطلاعات وجود دارد.

آشتکار می گوید: « اینکه به نظر می رسد اطلاعات از بین می رود فقط به این دلیل است که ما به بخش محدودی از فضا-زمان واقعی مکانیک کوانتمی نگاه می کردیم. زمانیکه گرانش کوانتومی را در نظر می گیریم، آنگاه فضا-زمان بسیار بزرگتر می شود و بنابراین در آینده ای دور و در آن سوی آنچه که قبلا انتهای فضا-زمان تصور می شد جائی برای ظهور مجدد اطلاعات وجود خواهد داشت.»

آشتکار بر این باور است که فضا-زمان زنجیروار نیست بلکه از اجزای تشکیل دهنده انفرادی ساخته شده است.

وی می گوید که فضا-زمان مانند یک ساختار است که اگر چه پیوسته به نظر می آید اما از رشته‌های انفرادی تشکیل شده است.

نوری که از نزدیک یک سیاهچاله عبور می کند آن‌چنان به شدت خم می شود که منجر به از بین رفتن آن می شود و دیگر هرگز مشاهده نمی شود. به نوشته پارس‌اسکای، این واپیچش در شالوده فضا-زمان اگر چه به سختی قابل درک است اما اساس ایده‌های عجیب دیگری مانند سفر در زمان است.

شخصی که قصد دارد به یک بعد دیگر برود، فقط می باید درون یک واقعیت که به شدت خم شده و تکینگی نام دارد، وارد شود تا بدون آسیب در بعد دیگر ظاهر شود.

در نهایت، سیاهچاله طی فرایند تابش هاوکینگ بخار می شود و اطلاعات دوباره ظهور می کنند.

به طور فرضی با جمع آوری و آنالیز این تابش، احتمالا می توان اطلاعاتی را که به درون سیاهچاله سقوط کرده را مشخص کرد و حتی شاید بتوان هر کتابی که به درون سیاهچاله فرو رفته را بازخوانی کرد.

آشتکار می گوید: اگر ما جزئیات گرانش کوانتومی را بدانیم، می توانیم به طور نظری نمایش را به عقب برگردانیم و دقیقا بگوییم که سیاهچاله چگونه شکل گرفته است؛ اما عملا چند مشکل وجود دارد.

تابش هاوکینگ آن‌قدر ضعیف است که تبخیر یک سیاهچاله با یک اندازه متوسط زمان بی‌نهایت زیادی به طول می انجامد، شاید طولانی تر از عمر فعلی کیهان و اگر چه اصولا اطلاعات موجود هستند اما از رمز خارج کردن آن به طور غیر قابل تصوری پیچیده خواهد بود


نوشته شده توسط پریان چنگیزی در سه شنبه 7 خرداد1387 ساعت 12 موضوع نجوم و اخترفیزیک |

زیست شناسی کوانتمی

نوشته :محمد رضا خزاعی

دانش زیست شناسی در چند دهه اخیر مدام به سمت جزئی تر شدن پیش رفته است. در قرن گذشته، ابتدا زیست شناسی سلولی ایجاد شد. پس از آن زیست شناسی مولکولی پدید آمد و اینک زیست شناسی کوانتمی در حال شکل گیری است. شاید بتوان زیست شناسی کوانتمی را شاخه ای از علم بیوفیزیک دانست اما از آنجا که این علم به بررسی پدیده های کوانتمی در سلولها می پردازد، تاحدودی در قلمرو زیست شناسی سلولی قرار میگیرد.


واکنشهای هسته ای در سلولها
آیا ممکن است در سلولها نیز واکنشهای هسته ای روی دهد؟ وان هرزیل اولین بار این پرسش را مطرح کرد. ولی مورد تمسخر جامعه علمی قرار گرفت. وان هرزیل، برای پرورش گیاهانش بجاط خاکاز محلولهای غذایی که مواد موجود در آن قابل اندازه گیری بود استفاده کرد وی دریافت که در خاکستر این گیاهان، عناصری وجود دارد که در محیط کشت گیاه نبوده است. ام برنگر ، از دانشگاه پلی تکنیک پاریس نیز این آزمایش را با ابزار پیشرفته تر و دقیتر انجام داده و نتایج مشابهی بدست آورده است.او این آزمایش ها را صدها بار تکرار کرده است. وی برای این منظور تعداد زیادی بذر را در آب دوبار تقطیر شده حاوی فسفر و کلسیم کشت داد و سپس متوجه شد که میزان تاسیم در گیاهان کشت یافته به میزان ۱۰٪ افزایش داشته و کاهش قابل توجهی نیز در محتوای فسفر آنها بوقوع پیوسته.
برنگر در قسمت بحث مقاله خود میگوید : احتمالا تحت برخی شرایط سلولهای گیاهی قادر خواهند بود عناصری که در محیط رشدشان وجود ندارد را از عناصر موجود بسازند.

نتایج مشابه بسیاری در این زمینه موجود میباشد: هنری اسندلر نوعی تک سلولی گیاهی (جلبک تک سلولی) یافته است که میتواند ید بسازد، سلولهای نوعی ماهی بنام گول ، میتوانند کلرید سدیم را به کلرید تاسیم تبدیل کنند (جولین و همکاران۱۹۹۵)و نوعی باکتری میتواند گوگرد را به فسفر تبدیل کند و.....

لویس کراون بخاطر تحقیقاتش در این زمینه نامزد جایزه نوبل شده است. کراون و سالمون گلدفن توانسته اند برای بسیاری از این واکنشهای هسته ای ، مکانیسمهای قابل قبولی ارائه کنند. برطبق این مکانیسم ها، میزان زیاد یون هیدروژن در فضای بین دو غشاء میتوکندری به همراه مقدار زیاد Mg-ATP در ماتریکس میتوکندری میتواند یک جریان الکتریکی متناوب با اخاتاف پتانسیل بسیار بالا تولید کند. این جریان الکتریکی قوی یتواند بعنوان یک شتابدهنده برای هسته های پروتون (یون های هیدروژن) عمل کند و آنها را باسرعتی به اندازه سرعت نور به سمت هسته دیگر عناصر موجود در سلول شلیک کند. هنگامی که دیگر هسته ها توسط پروتونها بمباران میشوند به عناصر دیگر تبدیل میشوند.

اما پرسش مهم این است که آیا میتوان آینده ای را برای خود ترسیم کنیم که چند گیاه در منزل ما کار یک راکتور هسته ای را انجام دهند و انرژی مورد نیاز ما ما را تامین کنند؟ آیا میتوان سرانجام جایگزین مناسبی برای سوختهای فسیلی پیدا کرد؟

تونل‌زنی کوانتومی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد

تونل‌زنی کوانتومی (به انگلیسی: Quantum tunneling) به فرایندی کوانتومی گفته می‌شود که در آن یک ذره که انرژی‌اش کمتر از ارتفاع سد پتانسیل است، از سد پتانسیل می‌گذرد. این فرایند کاربرد بسیاری در فناوری دارد. برای نمونه میکروسکوپ‌های الکترونی تونلی از این ویژگی استفاده می‌کنند. این پدیده با استفاده از قوانین کلاسیک توجیه ناپذیر است و خود دلیلی بر ضعف مکانیک نیوتنی است .

یک مثال دیگر نیز در MOSFET هاست که الکترون‌های کانال، به طور عادی نمی‌توانند از اکسید گیت عبور کنند، ولی با کوچک تر شدن طول اکسید، مقداری از جریان کانال توسط گیت به علت این پدیده نشت می‌کند.

نظریه میدان‌های کوانتومی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد

نظریه میدان‌های کوانتومی چارچوبی نظری برای بازسازی مدل‌های کوانتوم مکانیکی سیستم هایی مهیا می کند، که در فیزیک کلاسیک با میدان‌ها یا سیستم‌های بس ذره ای توصیف می شد.

کلیات مربوط به نظریه

در نظریهٔ میدان‌های کوانتومی نیروهای میان ذرات توسط ذرات دیگر برقرار می شوند. برای نمونه، نیروی الکترومغناطیسی میان دو الکترون با رد و بدل فوتون‌ها امکان می یابد. با این حال نظریه فوق بر تمام نیروهای بنیادی به کار برده می شود. بردارهای بوزونی متوسط نیروی ضعیف را، گلوئون‌هاگراویتون‌ها نیروی گرانشی را برقرار می سازند. این ذرات حامل نیرو، ذراتی مجازی اند و طبق تعریف، زمانیکه حامل نیرو هستند امکان آشکارشدن شان وجود ندارد، زیرا عملیات آشکارسازی گواه بر عدم حمل نیرو خواهد بود. نیروی قوی، و

در نظریه میدان‌های کوانتومی، فوتون‌ها به صورت کوانتاهای میدان پنداشته می شوند و نه توپ‌های کوچک بیلیارد!امواج پکیده ای که در میدان به صورت ذرات به نظر می رسند. همچنین فرمیون‌ها -مانند الکترون- را نیز می توان به صورت امواج در میدان توصیف کرد، و این در حالیست که هرنوع فرمیون میدان خاص به خودش را دارد. به طور خلاصه، تصویر کلاسیکی از" همه چیز به شکل ذرات و میدان هاست"، در نظریه میدان‌های کوانتومی به صورت" همه چیز ذره است" و یا در نهایت "همه چیز میدان است" در می آید.

در این نظریه با ذرات نیز به صورت حالت‌های برانگیختهٔ میدان برخورد می‌شود (کوانتای میدان).این میدان خاص را می توان نوعی خوش شانسی دانست زیرا که در این صورت لازم نیست نگران پیامدهای اصل طرد پاولی بین فرمیون‌های مختلف مثلا بین الکترون‌ها و نوترون‌ها باشیم.در این حال می توان با آسودگی خیال حالت‌های انرژی مربوط به هر فرمیون را جداگانه بررسی کرد

کاربردها

این نظریه به طور گسترده در فیزیک ذرات و فیزیک ماده چگال کاربرد دارد.اکثر نظریه‌ها در فیزیک جدید ذرات (شامل برنظریه استاندارد ذرات بنیادی و برهمکنش‌های میانشان) با نظریه میدان‌های کوانتومی نسبیتی فرمول یندی می شوند. نظریه میدان‌های کوانتومی در پدیده‌های گوناگونی از فیزیک ماده چگال کاربرد دارد، به ویژه هنگامی که تعداد قابل توجهی ازذرات امکان افت و خیز دارند_ برای نمونه، نظریهBCC در ابر رسانایی.