یک فیزیک‌دان کره‌ای با بازبینی داده‌های آزمایشی سال ۲۰۱۸ به این نتیجه رسیده است که یک آزمایش قدیمی با نور و فوتون‌ها ممکن است نمونه‌ای از نوعی کیوبیت موسوم به «کیوبیت زمان» را در خود داشته باشد؛ سامانه‌ای کوانتومی که می‌تواند دو جهت مخالف تکامل زمانی را در بر بگیرد. این ایده شاید در آینده روش‌های تازه‌ای برای پردازش اطلاعات کوانتومی فراهم کند، اما به معنای سفر به گذشته یا معکوس‌شدن واقعی زمان نیست.
تای هیون یون از دانشگاه کره، چارچوب نظری خود را در قالب مقاله‌ای پیش‌چاپ منتشر کرده است. او با بررسی دوباره نتایج آزمایش‌های پیشین نشان داده که رفتار ثبت‌شده در آن‌ها با برخی ویژگی‌های موردانتظار برای کیوبیت زمان سازگار است. بااین‌حال، این پژوهش هنوز داوری علمی نشده و برای تأیید کامل ایده به آزمایش‌های اختصاصی بیشتری نیاز دارد.
کیوبیت زمان چیست و چگونه کار می‌کند؟
در رایانه‌های معمولی، اطلاعات با بیت‌هایی نمایش داده می‌شوند که مقدار صفر یا یک دارند. در رایانه‌های کوانتومی، واحد پایه اطلاعات «کیوبیت» نام دارد و می‌تواند در برهم‌نهی کوانتومی از حالت‌های مختلف قرار بگیرد.
ایده کیوبیت زمان، این مفهوم را به جهت تکامل یک فرایند کوانتومی گسترش می‌دهد. در این حالت، سامانه می‌تواند برهم‌نهی‌ای از دو جهت مخالف تکامل زمانی را رمزگذاری کند؛ انگار عقربه‌های یک ساعت بتوانند هم‌زمان در جهت ساعت‌گرد و پادساعت‌گرد حرکت کنند.
این تشبیه صرفاً برای توضیح مفهوم است. در واقعیت، هیچ ساعت یا ذره‌ای الزاماً به گذشته سفر نمی‌کند و تاریخ جهان به عقب برنمی‌گردد. موضوع اصلی، کنترل ریاضی و فیزیکی جهت تکامل حالت کوانتومی است.
نور چگونه جهت یک فرایند کوانتومی را معکوس می کند؟
یون برای بررسی این ایده به‌جای استفاده از میدان‌های مغناطیسی، سراغ نور و فوتون‌ها رفته است. روش او از دو منبع بلوری استفاده می‌کند که جفت‌فوتون‌های درهم‌تنیده تولید می‌کنند. درهم‌تنیدگی به این معناست که حالت‌های کوانتومی ذرات با یکدیگر ارتباط دارند و نمی‌توان آن‌ها را همیشه به‌طور مستقل توصیف کرد.
این روش که «تداخل‌سنجی منابع دوفوتونی غیرخطی درهم‌تنیده» نام دارد، از تنظیم فاز نور برای کنترل جهت یک برهم‌کنش کوانتومی استفاده می‌کند.
در مکانیک کوانتومی، کمیتی ریاضی به نام هامیلتونی چگونگی تغییر حالت یک سامانه در طول زمان را تعیین می‌کند. معکوس‌کردن علامت هامیلتونی می‌تواند جهت تکامل مربوط به آن را معکوس کند؛ اما در روش پیشنهادی یون، کل هامیلتونی معکوس نمی‌شود و فقط بخش مربوط به برهم‌کنش کنترل‌شده تغییر جهت می‌دهد.
پژوهشگر با تغییر فاز نور به‌اندازه نیم چرخه می‌تواند جهت این برهم‌کنش را تغییر دهد. بنابراین، آنچه معکوس می‌شود بخشی از فرایند کوانتومی است، نه جریان واقعی زمان.
چرا برهم‌نهی برای ساخت کیوبیت زمان ضروری است؟
معکوس‌کردن جهت یک برهم‌کنش به‌تنهایی برای ایجاد کیوبیت زمان کافی نیست. دو جهت مخالف باید بتوانند در یک برهم‌نهی کوانتومی قرار بگیرند؛ یعنی سامانه ترکیبی منسجم از هر دو حالت را در خود داشته باشد.
در حالت معمول، اطلاعات باقی‌مانده از فرایند تولید فوتون‌ها ممکن است مشخص کند هر جفت‌فوتون از کدام بلور آمده است. چنین اطلاعاتی می‌تواند میان مسیرهای مختلف تمایز ایجاد کند و مانع تداخل کوانتومی لازم برای تشکیل برهم‌نهی شود.
راهکار پیشنهادی یون استفاده از یک منبع لیزر مشترک و منسجم برای روشن‌کردن هر دو بلور است. به این ترتیب، اطلاعاتی که مسیرهای تولید فوتون را از هم متمایز می‌کند، می‌تواند کاهش یابد و امکان تداخل میان دو جهت مخالف تکامل کوانتومی فراهم شود.
نتیجه موردانتظار، کیوبیتی است که اطلاعات را نه‌فقط در دو مسیر متفاوت، بلکه در دو جهت مخالف تکامل کوانتومی رمزگذاری می‌کند.
چرا آزمایش سال ۲۰۱۸ اهمیت دارد؟
نکته جالب این پژوهش آن است که یون برای بررسی ایده جدید خود، دستگاه کاملاً تازه‌ای نساخته است. او داده‌های آزمایش‌هایی را بازبینی کرده که خود و همکارانش در سال ۲۰۱۸ و با هدفی متفاوت انجام داده بودند.
نتایج آن آزمایش‌ها رفتار وابسته به فاز و الگوهای تداخلی‌ای را نشان می‌دادند که با چارچوب نظری جدید سازگارند. یون با تفسیر دوباره این داده‌ها استدلال کرده است که دستگاه پیشین می‌تواند نمونه‌ای از پیاده‌سازی کیوبیت زمان تک‌فوتونی در نظر گرفته شود.
بااین‌حال، باید میان سازگاری داده‌های قدیمی با یک نظریه و اثبات تجربی کامل آن تفاوت قائل شد. آزمایش اولیه برای بررسی تمام ویژگی‌های کیوبیت زمان طراحی نشده بود؛ بنابراین، نمی‌تواند به‌تنهایی تمام پیش‌بینی‌های نظری را تأیید کند.
گام بعدی، انجام آزمایشی اختصاصی با کنترل دقیق‌تر حالت‌های کوانتومی است تا مشخص شود آیا سامانه واقعاً می‌تواند تمام عملیات پیش‌بینی‌شده را انجام دهد یا خیر.
آیا کیوبیت زمان می‌تواند رایانه‌های کوانتومی را بهتر کند؟
اگر این رویکرد در آزمایش‌های آینده تأیید شود، ممکن است راه تازه‌ای برای نمایش و پردازش اطلاعات کوانتومی فراهم کند. یکی از زمینه‌های احتمالی کاربرد آن، توسعه روش‌های اصلاح خطا است؛ مسئله‌ای مهم که ساخت رایانه‌های کوانتومی قابل‌اعتماد را دشوار می‌کند.
یون همچنین به امکان پردازش اطلاعات در سامانه‌های کوانتومی با ابعاد بالاتر و شبیه‌سازی آزمایشگاهی برخی پدیده‌های مرتبط با فیزیک کوانتومی و نسبیت اشاره کرده است.
بااین‌حال، این کاربردها فعلاً در حد چشم‌اندازهای نظری قرار دارند. هنوز مشخص نیست کیوبیت زمان در مقایسه با روش‌های موجود چه مزیت عملی خواهد داشت و آیا می‌توان آن را در سخت‌افزارهای کوانتومی آینده به‌صورت پایدار و مقیاس‌پذیر به کار گرفت.
جمع‌بندی
بازبینی یک آزمایش قدیمی باعث شده است فیزیک‌دانان احتمال دهند که بتوان از فوتون‌ها برای ساخت کیوبیتی استفاده کرد که دو جهت مخالف تکامل زمانی را در یک برهم‌نهی کوانتومی رمزگذاری می‌کند. این ایده می‌تواند مسیر تازه‌ای برای پژوهش در پردازش اطلاعات کوانتومی باز کند، اما هنوز در مراحل اولیه قرار دارد.
مهم‌ترین نکته این است که کیوبیت زمان ماشین سفر در زمان نیست. این مفهوم به کنترل جهت تکامل یک فرایند کوانتومی مربوط می‌شود، نه بازگرداندن زمان واقعی. برای مشخص‌شدن اعتبار و کاربردهای آن نیز به آزمایش‌های مستقل و داوری علمی نیاز است.
منبع: ScienceAlert
