تیمی از فیزیک‌پیشگان «حالت گربه‌ی شرودینگر» دو مُده‌ای را برای اولین بار ایجاد کرده‌اند که این امکان را می‌دهد تا گربه‌ی شرودینگر جعبه‌ی دومی برای بازی داشته باشد. در این آزمایش دو ویژگی محض کوانتومی باهم درآمیخته شده که در آن «گربه» (یعنی فوتون‌ها) به شکل همزمان «زنده و مرده» (در یک برهم‌نهی از حالات) در دو مکان در آنِ واحد (هر دو جعبه باهم دیگر درهم‌تنیده هستند) قرار دارند.

این آزمایش گامی است بسوی ایجاد حالات کوانتومی بزرگ‌تر و قابل‌توجه‌تر که برای ایجاد محاسبات کوانتومی ضروری است. به گفته‌ی پژوهش‌گرانِ این تحقیق، این کار یک سیستم کیوبیت دومنطقی با همبستگی خطای کوانتومی را نیز به اثبات می‌رساند که منبع عظیمی برای متورولوژی و شبکه‌های ارتباطی کوانتومی محسوب می‌شود.

گربه‌های کوانتومی

پارادوکس معروف گربه‌ی شرودینگر که بر پایه‌ی یکی از اصول مسلم مکانیک کوانتوم (اصل برهم‌نهی) قرار دارد، اولین بار در سال ۱۹۳۵ پیشنهاد شد. این پارادوکس از آنجا ناشی می‌شود که یک ذره‌ی میکروسکوپیک (همچون یک فوتون) چنان بررسی می‌شود که گویی به شکل همزمان در تمام «حالات» ممکن (یا موقعیت‌های فضایی در این آزمایش) قرار دارد تا زمانی که یک اندازه‌گیری انجام شده و تابع موج آن را درهم‌ریزد. با این حال در جهان واقعی «کلاسیکی» اشیاء ماکروسکوپیک (همچون گربه‌ها) در برهم‌نهی از حالات قرار ندارند. این موضوع در قالب «ناهمدوسی» توضیح داده می‌شود که در آن یک حالت، طبیعت کوانتومیِ همدوس خود را به یمن اندرکنش‌ با محیط پیرامونش از دست می‌دهد. با این حال این موضوع که مرز بین دنیای کلاسیک و کوانتوم کجا قرار دارد هنوز اندکی رمزآلود است.

اکنون فیزیک‌دانان قادرند سیستم‌های چندذره‌ای متشکل از تعداد زیادی فوتون را بسازند که در یک برهم‌نهی از دو حالت بسیار متفاوت یا بی‌نهایت قرار دارند. این حالات به «حالات گربه‌ی کوانتومی» معروف است که به راحتی از همدیگر قابل تفکیک‌اند. این سیستم‌ها در آزمایشگاه با استفاده از نوسان‌گرهای هماهنگ قابل دسترسی‌اند. برای مثال می‌توان نوسان یک میدان میکروویو را یک آونگ نوسان‌کننده درنظر گرفت و دو حالت متفاوت عبارتند از آونگ در دورترین نقطه‌ی سمت چپ یا راست در طی مسیر نوسان آن. در یک حالت گربه‌ای، آونگ در یک لحظه در دو حالت مجزای مکانی قرار دارد. در چنان نوسان‌گرهای هماهنگی ترجیح داده می شود تا از اتم‌ها برای ایجاد دو حالت‌ حدی استفاده کنند چون موقعیت‌های نوسان‌کننده بسیار متمایزتر بوده و با فاصله‌ای که می‌تواند شامل تعداد زیادی از حالات میانی باشد از هم جدا شده‌اند.

دو حالت یکی می‌شود

چن وانگ (Chen Wang) و همکارانش از دانشگاه ییل ایالات متحده به همراه همکارانی از فرانسه برای ساخت حالت گربه‌ای دومُده به جای استفاده از یک نوسان‌گر از دو نوسان‌گر هماهنگ بر پایه‌ی کاواک‌های میکروویو استفاده کرده‌اند. در این حالت گربه‌ی زنده با میدان میکروویو در دوکاواک نوسان‌کننده در جهت مثبت متناظر است درحالیکه گربه‌ی مرده با میدان نوسان‌کننده در جهت منفی تناظر دارد. این ترکیب کوانتومی از حالاتِ برهم‌نهیِ چندذره‌ایِ بزرگ‌مقیاس و درهم‌تنیدگی برای اولین بار در سال ۱۹۹۳ پییشنهاد شده است اما این اولین بار است که به شکل تجربی انجام یافته است.

قطعه‌ای که این تیم ساخته‌اند از دو کاواک میکروویو سه بعدی و یک درگاه نظارتی ساخته شده که تماماً با اتم‌های ابررسانای مصنوعی بهم وصل شده‌اند. خودِ «گربه» از نور میکروویوِ محدودشده در هردوی کاواک‌ها ساخته شده است. کاواک‌ها از آلومینیوم حجمی با خلوص بالا و تراشه‌‌ای از جنس یاقوت کبود ساخته شده است. مدار در ابعاد میکرو و در درون بسته‌ی آلومینیومی قرار داده شده که با استفاده از کابل‌های معمولی میکروویو بهم وصل شده‌اند.

اندازه‌گیری با سیگنال‌های انتقال‌دهنده‌ی میکروویو‌ انجام شده که از الکترونیک دمای پایین در طول قطعه فرستاده می‌شود. این سیگنال به شکل غیرمستقیم از حالت کوانتومی کاواک‌ها اطلاع می‌دهد. تا چند ده فوتون در هر کاواک وجود دارد.

آنطور که وانگ به physicsworld.com می‌گوید روشی که تیم او در پیش گرفته‌اند «با روش‌های پیشین تفاوت دارد. از این جهت که در آزمایش‌های قبلی دو کاواک حامل حالت گربه وجود داشت و بنابراین نیاز بود تا به طور مشترک، حالت دو کاواک اندازه‌گیری‌ شود. بنابراین این روش یک توسعه‌ی جدید به حساب می‌آید». وی می‌افزاید که روش این تیم همچنین متفاوت «از دیگر آزمایش‌های بسیار است که با حالت کوانتومیِ فوتون‌های میکروویو یا اپتیکی سروکار دارند. در این روش به جای آنکه با تک‌تک فوتون‌ها سروکار داشته باشیم، بر روی حالت شبه‌کلاسیکی فوتون‌های میکروویو (حالت همدوس) عمل می‌کنیم و این کار باعث می‌شود به تعداد بسیار زیادی از فوتون‌ها دسترسی داشته باشیم».

تمیزپذیری مابین دو حالت (که فاکتوری مهم محسوب می‌شود) با رسم نمودار حالات بر روی نقشه‌ی «فضای فاز» و اندازه‌گیری فاصله‌ی آن‌ها در قالب تعداد حالات بین آن‌ها تعیین می‌شود. اینکه فاصله‌ی تمیزپذیری بایستی تا چه اندازه بزرگ باشد، تا قبل از آنکه حالت بتواند «بزرگ‌مقیاس» بحساب آید، هنوز هم موضوعی نسبتاً انتزاعی است. در آزمایش جاری این فاصله معمولاً ۳۰ فوتون است و تا ۸۰ فوتون گسترش می‌یابد. وانگ این فاصله‌ها را این‌گونه توصیف می‌کند که: «بزرگ‌مقیاس‌تر از چند فوتونی است که دیگران در زمینه‌ی ما با آن سروکار دارند اما قطعاً بزرگ‌مقیاس‌تر از یک گربه‌ی واقعی نیست».

بر اساس گفته‌های پژوهش‌گران، نتایج این آزمایش را می‌توان به دو روش مختلف تفسیر کرد. آن‌ها گربه را به شکل «زنده در دوجعبه» با تعریف حالت مشترک دو کاواک به عنوان حالت گربه (++ زنده و ـ ـ مرده) توصیف کرده‌اند. در این مورد طبق تعریف، گربه در هردوی جعبه‌ها به شکل همزمان وجود دارد. به بیان وانگ: «این گربه بزرگ و باهوش است و در یک جعبه نمی‌ماند چون حالت کوانتومی مابین دو کاواک تقسیم می‌شود و نمی‌توان جداگانه آن را توصیف کرد». بیان جایگزینی نیز وجود دارد که بر اساس آن حالت هر کاواک به شکل انفرادی با اندازه‌گیری‌های تک‌جعبه انجام می‌شود. در این مورد دو گربه‌ی شرودینگر کوچک و ساده وجود خواهد داشت (هریک در هر جعبه) که درهم‌تنیده هستند.

تیم وانگ می‌گوید این آزمایش کاربردهایی در محاسبات کوانتومی دارد بویژه وقتی حالات گربه‌ای به عنوان کیوبیت‌های تلورانس خطا (fault-tolerant) عمل می‌کنند. این بدان دلیل است که اطلاعات موجود در این حالات با استفاده از درجات آزادی بسیار به شکل اضافی رمزگذاری می‌شوند. رابرت شلکف (Robert Schoelkopf) مدیر موسسه‌ی کوانتومی ییل می‌گوید: «به نظر می‌رسد حالات گربه‌ای (برای پیاده‌سازی تصحیح خطای کوانتومی) رویکرد بسیار موثری برای ذخیره‌ی اطلاعات کوانتومی اضافی باشد. ایجاد یک گربه در دو جعبه اولین گام به سوی عملیات منطقی مابین دو بیت کوانتومی در یک حالت خطای قابل اصلاح است».

این پژوهش در مجله‌ی Science به چاپ رسیده است.

درباره‌ی نویسنده:

تاشنا کمیساریای (Tushna Commissariat) گزارش‌گر physicsworld.com است.

منبع:

Schrödinger's cat lives and dies in two boxes at once