کشف فاز جدیدی از ماده: کنترل اطلاعات کوانتومی در «دو بعد» زمان

گروهی از پژوهشگران دانشگاه بریتیش کلمبیا، ماساچوست و تگزاس در تلاش‌های اخیر خود با تاباندن لیزر به اتم‌های پردازنده یک کامپیوتر کوانتومی، توانستند به فاز جدیدی از ماده دست پیدا کنند. آن‌ها پرتوهای لیزر را در یک توالی فیبوناچی به این اتم‌ها تاباندند و در کمال تعجب به ماده‌ای دست پیدا کردند که به نظر می‌رسد منفعت‌های دو بعد زمان را برای ما فراهم می‌کند.

به طور کلی ما موجوداتی هستیم که خودمان و تمام محیط اطرافمان در سه بعد فضا (طول، عرض و ارتفاع) و یک بعد زمان وجود داریم و در بعد زمان همیشه رو به جلو حرکت می‌کنیم و هیچ اختیاری در کنترل آن نداریم.

اما حالا پژوهشگران در این مطالعه توانستند به فازی از ماده دسترسی پیدا کنند که خواصی شبیه به وجود در دو بعد زمان دارد. این خاصیت به ماده اجازه می‌دهد تا اطلاعات را با امنیت بیشتری در خود ذخیره کند و خطاهای بسیار کمتری از مواد معمولی مورد استفاده در کامپیوترهای کوانتومی برای اطلاعات رخ دهد.

وجود بعد اضافی زمان برای فاز جدیدی از ماده، روش جدیدی است که به تازگی به آن دست پیدا کرده‌اند. آن‌ها این مطالعه جدید خود را روی ۱۰ اتم یونیزه شده عنصر ایتربیوم (ytterbium) انجام دادند. هر کدام از این یون‌ها به طور جداگانه با یک میدان الکتریکی به نام یون ترپ (Ion trap) کنترل می‌شود و با هر پالس لیزر می‌تواند تغییر کند.

کنترل کیوبیت‌ها

هر کدام از این یون‌ها به نام یک بیت کوانتومی یا به اختصار کیوبیت (Qubit) شناخته می‌شود. در کامپیوترهای کلاسیک اطلاعات با بیت‌های صفر و یک منتقل می‌شود، اما کیوبیت‌ها با توانایی‌های خارق‌العاده‌ای که مکانیک کوانتومی در اختیار ما قرار داده است، می‌توانند اطلاعات بسیار بیشتری را حمل کنند.

البته از آنجایی که در دنیای کوانتومی یک داده می‌تواند صفر، یک و یا هم صفر و یک (برهم‌نهی یا سوپرپوزیشن – Superposition) باشد، کنترل رفتار کیوبیت‌ها کمی سخت خواهد بود. رفتار یک کیوبیت حتی با گرم و سرد شدن محیط اطرافش تغییر می‌کند.

به همین خاطر، پژوهشگران این مطالعه تلاش کردند تا رفتار کیوبیت‌ها را با «تقارن» بهتر کنترل کنند؛ درست مثل یک دانه برف که با هر چرخش ۶۰ درجه، تقارن چرخشی دارد. یکی از روش‌هایی که آن‌ها استفاده کردند، افزودن تقارن زمانی بود. آن‌ها این کیوبیت‌ها را با پالس‌های متقارن لیزر تحت تاثیر قرار می‌دادند.

بعد از مدتی، این گروه تحقیقاتی متوجه شد که می‌تواند به جای یک تقارن زمانی، دو تقارن زمان با پالس‌های لیزری غیر تکراری اضافه کند و شبیه کریستال‌هایی نه در بعد فضا، بلکه در بعد زمان ایجاد کنند. کامپیوترهای کوانتومی در واقعیت بسیار پیچیده هستند، بنابراین کاربرد این روش در عمل هنوز مشخص نیست. اما امیدی تازه برای کنترل اطلاعات در فاز جدیدی از ماده آن هم شبیه به حضور در دو بعد زمان است.