فیزیک کوانتومی ساده شد: کیوبیت‌ها راز پیشرفت فناوری!

کاوش‌های نوین در قلمرو سیستم‌های کوانتومی

گروهی از پژوهشگران، از جمله استاد برجسته آموزش فیزیک، پروفسور فیلیپ بایتسنباور از دانشگاه لایپزیگ، تمرکز خود را بر روی موضوعی جذاب به نام کیوبیت‌ها معطوف کرده‌اند. این کیوبیت‌ها، سیستم‌های دوسطحی به شمار می‌روند که ساده‌ترین و در عین حال حیاتی‌ترین انواع سیستم‌های کوانتومی هستند و قابلیت کاربرد در توصیف موقعیت‌های بسیار متنوعی را دارا می‌باشند. کنترل و دستکاری این کیوبیت‌ها، نقشی اساسی در پیشبرد فن‌آوری‌های کوانتومی در دنیای مدرن ایفا می‌کند.

به گفته بایتسنباور، هنوز هیچ مطالعه تجربی‌ای در مورد کارآمدی این رویکردها، با بهره‌گیری از سیستم‌های دوسطحی در راستای ارتقای درک مفهومی در دانش‌آموزان، صورت نگرفته است. همچنین، تحقیقات علمی جامعی پیرامون نقاط قوت و ضعف روش‌های تدریس گوناگون که بر پایه سیستم‌های دوسطحی بنا شده‌اند، در دسترس نیست. او می‌افزاید: «ما با استفاده از مثال اندازه‌گیری کوانتومی، که یکی از چالش‌برانگیزترین مفاهیم فیزیک کوانتوم است، نشان می‌دهیم که چگونه می‌توان یک روش نظرسنجی را طراحی کرد که سپس قادر است به عنوان بخشی از مطالعات مداخله‌ای در این حوزه مورد استفاده قرار گیرد. به طور کلی، ایده‌های آموزشی که بر سیستم‌های دوسطحی تأکید دارند، به نظر می‌رسد برای فرآیند یادگیری نسبت به رویکردهای سنتی، مناسب‌تر هستند.»

این استاد آموزش فیزیک، که نویسنده اصلی این مقاله است، اضافه می‌کند: «به کارگیری سیستم‌های دوسطحی به عنوان نقطه‌ی شروع برای درک فیزیک کوانتوم، در سال‌های اخیر موضوع بحث‌های گسترده‌ای بوده است.» به گفته بایتسنباور، این روش، درهای فناوری‌های کوانتومی مدرن را گشوده است، خواه در زمینه‌ی رمزنگاری کوانتومی باشد یا در عرصه‌ی محاسبات کوانتومی.

اهداف رمزنگاری کوانتومی و دسترسی به فناوری‌های نوین

یکی از اهداف بنیادی رمزنگاری کوانتومی، برقراری ارتباطاتی است که در برابر هرگونه استراق سمع، مصون باشند. رایانه‌های کوانتومی توانایی حل مسائل پیچیده‌ای را دارند که حتی ابررایانه‌ها نیز ممکن است پس از مدت‌های مدید، یا حتی به طور کلی، از حل آن‌ها عاجز باشند؛ همچون تجزیه‌ی اعداد بزرگ به عوامل اولیه‌شان.

بایتسنباور می‌گوید: «من و همکارانم در تلاشیم تا پتانسیل انقلابی فناوری‌های کوانتومی را برای دانش‌آموزان قابل فهم و دسترس کنیم.» انجمن فیزیک آمریکا (APS) از وی دعوت کرده است تا نتایج این پروژه را در نشست جهانی فیزیک APS در لس آنجلس، در ماه مارس 2025، ارائه دهد.

بایتسنباور اشاره می‌کند که سال 2025 به عنوان سال جهانی علم و فناوری کوانتومی شناخته خواهد شد. این جامعه علمی می‌تواند به یک قرن تاریخ‌سازی مکانیک کوانتومی افتخار کند و این روند همچنان با شتاب ادامه دارد، هرچند در سطحی پیشرفته‌تر. دانشمندان از انقلاب دوم کوانتومی سخن می‌گویند که قرار است قرن جدید را به همان شکل متحول کند که انقلاب اول کوانتومی، قرن بیستم را دگرگون ساخت.

او ادامه می‌دهد: «امروزه، تمرکز بر گذار از سیستم‌های چندجسمی به سمت کنترل و دستکاری الکترون‌های منفرد، فوتون‌های منفرد یا به طور کلی، درجات آزادی منفرد در یک سیستم کوانتومی است. ساده‌ترین و مهم‌ترین سیستم کوانتومی تنها دو درجه آزادی دارد – سیستم دوسطحی. این نقطه شروعی برای تدریس فیزیک کوانتومی در مدارس است.»