کامپیوترهای کوانتومی ساخت کریستال‌های زمان را امکان‌پذیر می‌کنند

اتفاق‌نظر بر این است که نسل بعدی محاسبات و پردازش اطلاعات در دنیای جذاب و غنی مکانیک کوانتومی نهفته است. گمان می‌رود رایانه‌های کوانتومی بتوانند مشکلات بزرگ و بسیار پیچیده‌ای را حل کنند که از عهده‌ی قدرتمندترین اَبَررایانه‌های امروزی برنمی‌آید. بااین‌حال، طبیعتا ساخت رایانه‌ی کوانتومی با مشکلات متعددی مواجه است که عملا دستیابی به نوع مفید این ماشین‌های پردازشی عظیم‌الجثه‌ را تا سال‌ها به‌تعویق می‌اندازد.

در سال‌های اخیر، خوشبختانه محققان، دولت‌ها، شرکت‌های خصوصی و نهادهای علمی بسیاری به حوزه رایانش کوانتومی وارد شده‌اند؛ به‌همین‌دلیل، به‌طور روزافزون کشف راه‌حل‌ها و ابتکاراتی را شاهد هستیم که می‌تواند ما را به آینده‌ی کامپیوتر کوانتومی امیدوار کند.

درحال‌حاضر، نهادهای علمی آزمایش کامپیوتر‌های کوانتومی ساخت شرکت‌هایی مانند آی‌بی‌ام و ریگتی و دی-ویو را آغاز کرده‌اند. شرکت‌های چینی مانند علی‌بابا نیز به کامپیوتر‌های کوانتومی دسترسی دارند. برخی از مشاغل در حال خرید کامپیوتر‌های مذکور هستند؛ درحالی‌که برخی دیگر از رایانش ابری مبتنی‌بر کوانتوم بهره می‌گیرند.

با اینکه هنوز موانع بزرگی بر سر راه ایجاد چنین کامپیوتر کوانتومی وجود دارد، نمونه‌های اولیه‌ی امروزی هنوزهم می‌توانند کارهای کم‌نظیری انجام دهند. به‌عنوان مثال، رایانه‌های مذکور می‌توانند مرحله‌ی جدیدی از ماده به نام «کریستال زمان یا کریستال چهار بعدی» را ایجاد کنند. کریستال زمان در‌حقیقت ساختار متناوبی است که در زمان و فضا تکرار می‌شود. کریستال‌های معمولیِ سه‌بعدی الگوی تکرار در فضا دارند؛ ولی در زمان بدون تغییر باقی می‌مانند.

درست همان‌طور‌که ساختار کریستال معمولی در فضا تکرار می‌شود، کریستال زمان در «زمان» تکرار می‌شود و مهم‌تر از آن، این کار را بی‌نهایت و بدون هیچ ورودی انرژی انجام می‌دهد. برای درک بهتر ویژگی فوق‌العاده‌ی آن، ساعتی را تصور کنید که برای همیشه بدون باتری کار می‌کند. البته تلاش برای تحقق‌بخشیدن به این مرحله از ماده تاکنون چالشی طاقت‌فرسا در تئوری و آزمایش بوده؛ اما به‌نظر می‌رسد که سرانجام به‌نتیجه رسیده است.

در تحقیقی که چندی پیش در مجله‌ی نیچر منتشر شد، تیمی از دانشمندان از دانشگاه استنفورد، هوش مصنوعی گوگل کوانتوم، مؤسسه‌ی فیزیک سیستم‌های پیچیده‌ی ماکس پلانک و دانشگاه آکسفورد جزئیات ایجاد کریستال زمان را با استفاده از سخت‌افزار محاسباتی کوانتومی سیکامور گوگل ارائه کرده‌اند.

متئو ایپولیتی، محقق دانشگاه استنفورد و یکی از نویسندگان مقاله یادشده می‌گوید:

تصویر بزرگ این است که از دستگاه‌هایی استفاده می‌کنیم که قرار است رایانه‌های کوانتومی آینده باشند و آن‌ها را به‌عنوان سیستم‌های کوانتومی پیچیده در نوع خود در نظر می‌گیریم. ما به‌جای محاسبات، رایانه را به‌عنوان پلتفرم آزمایشی جدیدی برای درک و تشخیص فازهای جدید ماده به‌کار می‌گیریم.

به‌طورکلی، دستاورد جدید محققان فقط در ایجاد مرحله‌ی جدیدی از ماده خلاصه نمی‌شود؛ بلکه فرصت‌هایی برای کشف جزئیات بیشتر در زمینه‌ی فیزیک ماده‌چگال ایجاد می‌کند که پدیده‌ها و ویژگی‌های جدید ناشی از تعاملات جمعی بسیاری از اشیاء در یک سیستم را مطالعه می‌کند.

ودیکا خامانی، استادیار فیزیک در استنفورد، توضیح می‌دهد:

کریستال‌های زمان نمونه‌ای بارز از نوع جدیدی از فاز کوانتومی غیرتعادلی ماده هستند. درحالی‌که بسیاری از درک ما از فیزیک ماده‌چگال مبتنی‌بر سیستم‌های تعادلی است، این دستگاه‌های کوانتومی جدید دریچه‌ای شگفت‌انگیز به حالت‌های غیرتعادلی جدید در فیزیک چندپیکره ارائه می‌کنند.[فیزیک چندپیکره (many-body physics) حوزه‌ای از فیزیک است که اغلب به‌ترتیب عدد آووگادرو چهارچوبی برای درک رفتار جمعی تعداد زیادی از ذرات برهم‌کنش فراهم می‌کند. به‌طور‌کلی، نظریه‌ی چندپیکره به اثرهایی می‌پردازد که خود را فقط در سیستم‌های دارای تعداد زیادی مؤلفه نشان می‌دهند.]

مواد اولیه برای ساخت این کریستال زمان شامل معادل فیزیکی مگس میوه و چیزی است که روی آن می‌جهد. در‌حقیقت، مگس میوه‌ی فیزیک مدل آیزینگ است؛ ابزاری قدیمی برای درک پدیده‌های فیزیکی مختلف، ازجمله انتقال فاز و مغناطیس که از شبکه‌ای تشکیل و در آن هر مکان با ذره‌ای اشغال شده است که می‌تواند در دو حالت به‌صورت چرخشی به‌سمت بالا یا پایین نمایش داده شود.

گفته می‌شود در طول سال‌های تحصیلات تکمیلی، خامانی، او شیواجی سوندی، آشیل‌آزاریدس و رودریش موسنر در مؤسسه‌ی ماکس پلانک به‌طور تصادفی به این دستور برای ساختن کریستال‌های زمان دست یافته‌اند. از قرار معلوم، آنان در حال مطالعه‌ی سیستم‌های موضعی چندپیکره‌ی غیرتعادلی بودند؛ سیستم‌هایی که ذرات در حالتی که در آن شروع شده‌اند، گیر می‌کنند و هرگز نمی‌توانند به حالت تعادل رها شوند.

آنان به کاوش در مراحلی علاقه‌مند بودند که ممکن است در چنین سیستم‌هایی در زمانی که به‌طور دوره‌ای به‌وسیله‌ی لیزر تغییر می‌کنند، ایجاد شوند. درنهایت، محققان نه‌تنها موفق شدند فازهای غیرتعادلی پایدار را بیابند؛ بلکه فازی را یافتند که در آن چرخش ذرات بین الگوهایی که در زمان برای همیشه تکرار می‌شوند، در بازه‌ای دو برابر دوره‌ی حرکت لیزر تغییر می‌کنند.

ضربه‌ی دوره‌ای لیزر ریتم خاصی برای پویایی ایجاد می‌کند. معمولا بالا‌و‌پایین‌رفتن چرخش‌ها باید با این ریتم همگام شود؛ اما در کریستال زمان این‌طور نیست. درعوض، چرخش‌ها بین دو حالت تغییر و تنها پس از دو بار ضربه‌زدنِ لیزر، یک چرخه را تکمیل می‌کنند. این یعنی «تقارنِ ترجمه‌ی زمانی» سیستم شکسته شده است. شاید بد نباشد بدانید که تقارن‌ها نقش اساسی در فیزیک بازی می‌کنند و اغلب شکسته می‌شوند و ازبین می‌روند. این همان فرایندی است که منشأ بلورهای منظم و آهن‌رباها و بسیاری از پدیده‌های دیگر را توضیح می‌دهد.

بااین‌حال، تقارن ترجمه‌ی زمانی پابرجاست و برخلاف سایر تقارن‌ها، نمی‌توان آن را در حالت تعادل ازبین برد. دراین‌میان، ضربات متناوب لیزر روزنه‌ای است که ساخت کریستال‌های زمان را ممکن می‌سازد. همان‌طور‌که در ابتدا گفتیم، مهم‌ترین ویژگی کریستال زمان آن است که این سیستم متشکل از میلیون‌ها مؤلفه، این نوع رفتار هماهنگ را بدون ورود یا نشت انرژی به‌ارمغان می‌آورد و این موضوع بسیار مهمی برای جهانی که تماما بر انرژی‌های تجدیدناپذیر متکی است، محسوب می‌شود.

سوندی، استاد فیزیک در آکسفورد و یکی از نویسندگان مقاله، دراین‌باره می‌‌گوید:

این مرحله‌ای کاملا تنومند از ماده است که در آن، شما پارامترها یا حالت‌ها را تنظیم نمی‌کنید؛ اما سیستمتان هنوز کوانتومی باقی می‌ماند. در این سیستم، هیچ منبعی از انرژی و تخلیه انرژی وجود ندارد و برای همیشه ادامه می‌یابد و شامل بسیاری از ذرات با تعامل قوی است.

این فرایند ممکن است به‌طرز عجیبی نزدیک به ساخت ماشینی (هر نوع ماشین‌آلات) با منبع انرژی دائمی باشد؛ اما با نگاهی موشکافانه مشخص می‌شود که کریستال زمان هیچ قانون فیزیکی را زیر پا نمی‌گذارند. آنتروپی، معیاری از بی‌نظمی در سیستم، در طول زمان ثابت می‌ماند و با کاهش‌نیافتن قانون دوم ترمودینامیک را تا حدودی برآورده می‌کند.

جالب است بدانید که تا پیش‌ازاین آزمایش‌های بسیاری را تیم‌های مختلف محققان بین توسعه‌ی این طرح برای کریستال زمان و آزمایش کامپیوتر کوانتومی به‌منظور تحقق آن انجام داده و از‌قضا به نقاط عطفی در ساخت کریستال‌های زمان دست یافته بودند. بااین‌حال، ارائه‌ی تمام مواد تشکیل‌دهنده در دستورالعمل برای محلی‌سازی چندپیکره مشکلی مهم باقی مانده بود.

درواقع، ماحصل تحقیقات خمانی و همکارانش و آخرین گام برای موفقیت کریستال زمان کار با تیمی در Quantum AI متعلق به گوگل بود. این گروه از سخت‌افزار محاسباتی رایانه‌ی کوانتومی سیکامور برای برنامه‌ریزی ۲۰ «اسپین» و از نسخه‌ی کوانتومی بیت‌های اطلاعات رایانه‌ای کلاسیک، معروف به کیوبیت، استفاده کردند.

محققان توانستند ادعای خود را مبنی‌بر وجود یک کریستال زمان واقعی به‌لطف قابلیت‌‌‌های ویژه‌ی کامپیوتر کوانتومی تأیید کنند. اما نباید از این غافل شد که مقیاس کم و زمان انسجام دستگاه کوانتومی نشان می‌داد که آزمایش آن‌ها از نظر اندازه و مدت بسیار محدود است؛ به‌طوری‌که نوسان‌های کریستالی زمانی را فقط برای چندصد چرخه می‌توان مشاهده کرد. محققان پروتکل‌های مختلفی برای ارزیابی پایداری ایجاد آن‌ها ابداع کردند که شامل اجرای شبیه‌سازی به جلو و عقب در زمان و مقیاس‌بندی اندازه‌ی آن بود.

موسنر، مدیر مؤسسه‌ی فیزیک سیستم‌های پیچیده ماکس پلانک، بیان می‌کند:

موفق شدیم از تطبیق‌پذیری رایانه‌ی کوانتومی برای کمک به تجزیه‌وتحلیل محدودیت‌های آن استفاده کنیم. رایانه‌ی کوانتومی به ما نشان داد که چگونه اشتباهاتمان را تصحیح کنیم؛ به‌طوری‌که اثر رفتار کریستال زمان ایدئال را بتوان از مشاهدات زمان محدود مشخص کرد.

یکی از نشانه‌های مهم کریستال زمان ایدئال این است که نوسان‌های نامحدود را از همه حالت‌ها نشان می‌دهد. تأیید این استحکام در انتخاب حالت‌ها مشکل آزمایشی مهمی بود و محققان برای کاوش بیش از یک‌میلیون حالت از کریستال زمان خود در تنها یک‌ بار اجرا از دستگاه، پروتکلی ابداع کردند که تنها به میلی‌ثانیه زمان اجرا نیاز داشت. این مانند مشاهده‌ی کریستالی فیزیکی از زوایای مختلف برای تأیید ساختار تکراری آن است؛ بنابراین، استفاده از کامپیوتر کوانتومی گوگل نقش بسزایی در این دستاورد ایفا کرده است.

شیائو می، محقق گوگل می‌گوید:

ویژگی منحصربه‌فرد پردازنده‌ی کوانتومی ما توانایی آن در ایجاد حالت‌های کوانتومی بسیار پیچیده است. این حالت‌ها به ساختار فازهای ماده اجازه می‌دهند تا بدون نیاز به بررسی کل فضای محاسباتی به‌طور مؤثر تأیید شوند.

به‌طورکلی، مرحله‌ی جدیدی از ماده در سطح بنیادی بسیار مهم و هیجان‌انگیز است. این واقعیت که محققان توانستند این کار را انجام دهند، نشان‌دهنده‌ی کاربردهای کم‌نظیر رایانه‌های کوانتومی برای کارهایی غیر از محاسبات است.

پدرام روشن، یکی از محققان گوگل می‌گوید:

خوش‌بینم که با کیوبیت‌های بیشتر و بهتر رویکرد ما می‌تواند به روش اصلی در مطالعه دینامیک‌های غیرتعادلی تبدیل شود.