استفاده از تونل زنی کوانتومی و واژگونی زمان در فناوری‌

تصویر: فناوری های آینده از پیشرفت های امروز ما در درک ما از جهان کوانتومی استفاده خواهند کرد. Shutterstock/PopTika
 
وقتی با مسائل در مقیاس کوانتومی برخورد می کنید، جایی که چیزها بسیار کوچک هستند، جهان در مقایسه با تجربیات روزمره ما کاملاً مبهم و عجیب است.
 ما پی بردیم که چگونه کوانتوم های شار مغناطیسی – کوچک ترین واحدهای میدان مغناطیسی – را با خازن های ریز ساخت و دیگر عناصر مدار ابر رسانا ادغام کنیم تا تقارن معکوس شدن زمان شکسته شود.به عنوان مثال، ما معمولاً نمی توانیم از دیوارهای محکم عبور کنیم. اما در مقیاس کوانتومی، هنگامی که یک ذره با یک مانع ظاهراً غیر قابل غلبه مواجه می شود گاهی اوقات می تواند از داخل آن به طرف دیگر عبور کند - فرایندی که به عنوان تونل زنی کوانتومی شناخته می شود.
 
اما این که یک ذره با چه سرعتی می تواند از یک مانع عبور کند همیشه یک معما بوده است.
 
در کاری که در Nature منتشر شد، بخشی از مشکل را حل کرده ایم.
 
چرا این مهم است؟ این پیشرفتی است که می تواند بر فناوری های آینده ای که در خانه، محل کار یا جاهای دیگر می بینیم تأثیر بگذارد.
 
بسیاری از فناوری های امروزی - مانند نیمه هادی ها، صفحه LED در تلفن هوشمند شما یا لیزرها - بر اساس درک ما از نحوه کار اشیاء در جهان کوانتومی است.
 
بنابراین هر چه بیشتر یاد بگیریم، بیشتر می توانیم توسعه پیدا کنیم.
وقتی فیزیکدانان می گویند که یک دستگاه تقارن واژگونی زمان را می شکند، معمولاً منظورشان این است که در جایی میدان مغناطیسی وجود دارد.

بازگشت به تونل زنی

برای ذرات کوانتومی مانند الکترون ها، وقتی می گوییم می توانند از میان موانع عبور کنند، ما به موانع فیزیکی اشاره نمی کنیم، بلکه به موانع انرژی اشاره می کنیم.
   
تصویر: رفتارها در جهان کوانتومی متفاوت است. Shutterstock/VectorMine
 
تونل زنی به دلیل ماهیت موجی الکترون امکان پذیر است. مکانیک کوانتومی ماهیت موجی را به هر ذره اختصاص می دهد، و بنابراین احتمال این که موج از میان موانع منتشر شود، همچنان وجود دارد همان طور که صدا از دیوار عبور می کند.
 راه عملی برای شکستن تقارن واژگونی زمان برای دستگاه های واقعی، معرفی میدان مغناطیسی است. ممکن است به نظر غلط بیاید، اما این چیزی است که در فناوری هایی مانند میکروسکوپ های تونل زنی روبشی مورد استفاده قرار می گیرد، که به دانشمندان اجازه می دهد تصاویری با وضوح اتمی ایجاد کنند. این امر به طور طبیعی در همجوشی هسته ای و در فرایندهای بیولوژیکی مانند فتوسنتز مشاهده می شود.
 
اگر چه پدیده تونل زنی کوانتومی به خوبی مورد مطالعه و استفاده قرار گرفته است، فیزیکدانان هنوز درک کاملی از آن ندارند، به ویژه در مورد پویایی آن.
 
اگر بتوانیم از پویایی تونل زنی استفاده کنیم - برای مثال، از آن برای حمل اطلاعات بیشتر استفاده کنیم - احتمالاً این می تواند به ما فناوری جدیدی در زمینه فناوری های کوانتومی آینده ارائه دهد.
 

یک آزمایش سرعت تونل زنی

اولین قدم برای رسیدن به این هدف اندازه گیری سرعت فرآیند تونل زنی است. این کار ساده ای نیست، زیرا مقیاس های زمانی درگیر در اندازه گیری بسیار کوچک هستند.
 
برای موانع انرژی ای به اندازه چند میلیاردم متر، همان طور که در آزمایش ما بود، برخی از فیزیکدانان محاسبه کرده بودند که فرایند تونل زنی حدود صد اتو ثانیه طول خواهد کشید (1 اتو ثانیه یک میلیاردم میلیاردم ثانیه است).
 برنامه های مختلفی وجود دارد که در آن مهندسان می خواهند سیگنال های الکترو مغناطیسی (مانند نور یا امواج رادیویی) در یک مدار، کمی شبیه به ماشین ها در یک دور رفت و برگشت، رفتار کنند.اگر بخواهیم همه چیز را در چشم انداز قرار دهیم، اگر یک اتو ثانیه به اندازه یک ثانیه کش بیاید، یک ثانیه برابر با سن جهان خواهد شد.
 
زمان های برآورد شده آن قدر ناچیز است که قبلاً با آنها عملاً به صورت آنی رفتار می شد. از این رو برای آزمایش مان ما به ساعتی نیاز داشتیم که بتواند این وقایع را با صحت و دقتی فوق العاده زیاد زمان بندی کند.
 
پیشرفت های تکنولوژیکی در سیستم های لیزری فوق سریع ما را قادر ساخت تا چنین ساعتی را در مرکز علمی Attosecond Science  استرالیا، مرکز کوانتوم دینامیک، در دانشگاه گریفیت پیاده سازی کنیم.
   
تصویر: بخشی از آزمایش در آزمایشگاه دانشگاه گریفیت انجام شد. U. Satya Sainadh ، نویسنده ارائه داده است.
 
ساعت مورد استفاده در آزمایش، مکانیکی یا الکتریکی نیست - بلکه بردار میدان الکتریکی دوار یک پالس لیزری فوق سریع است.
 
نور فقط تشعشعی الکترو مغناطیسی است که از میدان های الکتریکی و مغناطیسی ساخته شده است که با سرعتی زیاد تغییر می کنند. ما از این میدان به سرعت در حال تغییر برای ایجاد تونل زنی در هیدروژن اتمی و همچنین به عنوان کرونومتر برای اندازه گیری زمان پایان آن استفاده کردیم.
اگر زمان را با منفی آن جایگزین کنیم، اساساً معادلات اساسی فیزیک یکسان به نظر می رسند. این تبدیل ریاضی، جریان زمان را معادلات ما معکوس می کند.

چقدر سریع؟

انتخاب استفاده از هیدروژن اتمی (که به سادگی، فقط یک جفت مقید از یک الکترون و یک پروتون است) از بروز عوارض ناشی از سایر اتم ها جلو گیری می کند و مقایسه و تفسیر بدون ابهام نتایج را آسان می کند.
 
زمان تونل زنی ای که ما اندازه گیری کردیم بیش از 1.8 اتو ثانیه نبود، که بسیار کوچک تر از برخی از نظریه های پیش بینی شده بود. این اندازه گیری ایجاب می کند که تجدید نظری جدی در درک مان از دینامیک تونل زنی داشته باشیم.
 
نظریه های مختلف، طیف وسیعی از زمان های تونل زنی - از صفر تا صدها ثانیه - را تخمین می زدند و بین فیزیکدانان در مورد این که کدام یک از برآوردهای نظری منفرد صحیح است اتفاق نظر وجود نداشت.
 
یک دلیل اصلی اختلاف نظرها در مفهوم زمان در مکانیک کوانتومی نهفته است. به دلیل عدم قطعیت های کوانتومی، نمی توان در زمان ورود یا بیرون آمدن ذره از سد اطمینان قطعی داشت.
 
اما آزمایش هایی مانند آزمایش ما، با استفاده از اندازه گیری دقیق بر روی سیستم های ساده، می تواند ما را در تصحیح چنین زمان هایی راهنمایی کند
 

فناوری های بعدی

جهش های کوانتومی در دنیای فناوری اغلب ریشه در جستار برای علوم بنیادی دارد.
 
فناوری های کوانتومی آینده که بسیاری از ویژگی های کوانتومی را شامل می شوند - مانند بر هم نهی و در هم تنیدگی - منجر به چیزی خواهند شد که فناوران آن را "انقلاب کوانتومی دوم" می نامند.
 انواع مختلفی از تقارن در علم وجود دارد، از جمله تقارنی که با واژگونی زمان سر و کار دارد.با درک کامل دینامیک کوانتومیِ ساده ترین رویداد تونل زنی اتمی - با یک پروتون و یک الکترون واحد - ما نشان داده ایم که به انواع معینی از نظریه ها می توان تکیه کرد که پاسخ درست دهند، در حالی که انواع دیگر نظریه ها شکست می خورند.
 
این به ما اطمینان می دهد که چه نظریه هایی را در مورد سایر سیستم های پیچیده تر اعمال کنیم.
 
اندازه گیری در مقیاس اتو ثانیه نه تنها یک بعد اضافی برای فناوری های کوانتومی آینده ایجاد می کند بلکه می تواند اساساً به درک فیل اتاق کوانتومی کمک کند: زمان چیست؟
 

بازگشت به آینده

 
تصویر: در فیلم های بازگشت به آینده، ماشین DeLorean به لطف یک خازن شار می توانست در زمان سفر کند. ویکی مدیا/اوتو گادفری و جاستین مورتون
 
فناوری ای که به Marty McFly اجازه داد تا در فیلم 1985 بازگشت به آینده، در زمان به عقب سفر کند، خازن شار افسانه ای بود که توسط مخترع Doc Brown طراحی شد.
 فناوری های کوانتومی آینده که بسیاری از ویژگی های کوانتومی را شامل می شوند - مانند بر هم نهی و در هم تنیدگی - منجر به چیزی خواهند شد که فناوران آن را "انقلاب کوانتومی دوم" می نامند.ما در حال حاضر نوع خازن شار خود را توسعه داده ایم، همان طور که در Physical Review Letters در مورد آن توضیح داده شده است.
 
در حالی که نمی توانیم یک ماشین DeLorean را در زمان به عقب بفرستیم، امیدواریم که در فناوری ارتباطات و محاسبات کوانتومی کاربردهای مهمی داشته باشد.
 
ما چگونه این کار را انجام دادیم؟ خوب، همه این ها مربوط به تقارن است. انواع مختلفی از تقارن در علم وجود دارد، از جمله تقارنی که با واژگونی زمان سر و کار دارد.
 

معکوس شدن زمان

تقارن واژگونی زمان یک نوع تقارن پیچیده است که فیزیکدانان دوست دارند در مورد آن فکر کنند و به همان اندازه که به واقعیت وابسته است، به تصورات نیز متکی است.
 
فرض کنید شما از رویدادی که در حال وقوع است فیلم می سازید. سپس می توانید بپرسید: "اگر من فیلم را به گونه ای ویرایش می کردم که به عقب اجرا می شد و آن را به دوستانم نشان می دادم، آیا آنها می توانستند تشخیص دهند؟"
 
این ممکن است بدیهی به نظر برسد: مردم معمولاً به عقب راه نمی روند یا به عقب صحبت نمی کنند. شیر ریخته شده خود به خود به قوطی خود بر نمی گردد. یک توپ گلف به طور معجزه آسایی از مسیر آزاد به عقب پرتاب نمی شود تا در همان لحظه ای که چوب گلف به آن برخورد کرده است کاملا بالانس شده روی تی بنشیند.
 جهش های کوانتومی در دنیای فناوری اغلب ریشه در جستار برای علوم بنیادی دارد.اما در سطح میکروسکوپی، داستان آن قدرها روشن نیست. برخورد دو توپ بیلیارد بر عکس نسبتاً شبیه به نظر می رسند، حتی چنین شباهتی بیشتر برای برخورد دو اتم وجود دارد. یک پرتو نوری که در یک جهت حرکت می کند دقیقاً از همان قوانینی از فیزیک پیروی می کند که پرتو نوری که در جهت مخالف حرکت می کند.
 
در واقع، اگر زمان را با منفی آن جایگزین کنیم، اساساً معادلات اساسی فیزیک یکسان به نظر می رسند. این تبدیل ریاضی، جریان زمان را معادلات ما معکوس می کند.
 
از آن جایی که به نظر می رسد قوانین میکروسکوپی فیزیک تحت این تبدیل ریاضی تغییری نکرده است، ما می گوییم جهان دارای تقارن واژگونی زمان است، اگر چه ما نمی توانیم زمان را در واقعیت معکوس کنیم. برخلاف داک براون، ما نمی توانیم کاری کنیم که ساعت به عقب بچرخد.
 
در این جا یک تضاد مفهومی وجود دارد. در مقیاس کلان، آنتروپی جهان - معیار بی نظمی یا تصادفی بودن - همیشه افزایش می یابد، به طوری که پیکانی از زمان وجود دارد.
 
این در تجربه روزمره ما آشکار است: تخم مرغ هم زده برگشت پذیر نیست. این برگشت ناپذیری چگونه از قوانین میکروسکوپی که برگشت پذیر هستند نشأت می گیرد؟ این یک راز باقی می ماند.
 

مدار گردش کننده

برگشت پذیری میکروسکوپی یک چالش مهم فناوری است. این امر انحراف سیگنال های الکترونیکی و رادیویی در اطراف یک مدار را پیچیده می کند.
 
برنامه های مختلفی وجود دارد که در آن مهندسان می خواهند سیگنال های الکترو مغناطیسی (مانند نور یا امواج رادیویی) در یک مدار، کمی شبیه به ماشین ها در یک دور رفت و برگشت، رفتار کنند.
 نور فقط تشعشعی الکترو مغناطیسی است که از میدان های الکتریکی و مغناطیسی ساخته شده است که با سرعتی زیاد تغییر می کنند. ما از این میدان به سرعت در حال تغییر برای ایجاد تونل زنی در هیدروژن اتمی و همچنین به عنوان کرونومتر برای اندازه گیری زمان پایان آن استفاده کردیم.این موضوع در زیر مصور شده است: سیگنالی که به پورت A دستگاه وارد می شود باید به پورت B هدایت شود. سیگنالی که در B وارد می شود باید به پورت C برود. و سیگنالی که وارد پورت C می شود باید به سمت پورت A در جهت عقربه های ساعت در اطراف دستگاه هدایت شود.
   
تصویر: یک نمایش ساده از یک سیرکولاتور یا گردش کننده. تام استیس
 
یکی از راه های این کار استفاده از شبکه تقویت کننده ها برای تغییر سیگنال ها به صورت دلخواه است. اما یک نتیجه عمیق در مکانیک کوانتومی وجود دارد ("قضیه عدم شبیه سازی") که به این معنی است که تقویت باید همیشه نویز یا تصادفی بودن را به سیگنال اضافه کند. با عرض پوزش از موسیقی دوستان: وجود یک تقویت کننده کامل غیر ممکن است.
 
اگر سیگنال بسیار ضعیف باشد، به طوری که نویز اضافی غیر قابل تحمل باشد، گردش بدون نویز با دستگاهی به نام سیرکولاتور یا گردش کننده انجام می شود. چنین دستگاه هایی برای جدا سازی سیگنال های بسیار ضعیف که به قطعات الکترونیکی حساس رفت و آمد می کنند، از جمله در گیرنده های رادار یا رایانه های کوانتومی موجود و آینده، استفاده می شوند.
 
معلوم می شود که دستگاهی مانند این باید به صورت موضعی تقارن واژگونی زمان را بشکند. اگر ما فیلمی از سیگنال هایی که از گردش کننده می آیند و می روند تهیه کنیم و فیلم را به عقب اجرا کنیم، ظاهر متفاوتی به نظر می رسد. به عنوان مثال، ما سیگنالی را مشاهده می کنیم که از پورت A وارد می شود و از طریق پورت C خارج می شود، نه از طریق B.
 اگر بتوانیم از پویایی تونل زنی استفاده کنیم - برای مثال، از آن برای حمل اطلاعات بیشتر استفاده کنیم - احتمالاً این می تواند به ما فناوری جدیدی در زمینه فناوری های کوانتومی آینده ارائه دهد.اما اکثر دستگاه های آزمایشگاه کوانتومی مانند آینه، تقسیم کننده اشعه، لیزر، و اتم ها تقارن واژگونی زمان را نمی شکنند، و بنابراین نمی توان از آنها را به عنوان گردش کننده استفاده کرد. چیز دیگری لازم است.
 
راه عملی برای شکستن تقارن واژگونی زمان برای دستگاه های واقعی، معرفی میدان مغناطیسی است. میدان های مغناطیسی مانند گرداب در آب، دارای گردش کننده هستند، زیرا از جریان های الکتریکی که در یک حلقه الکتریکی در گردش هستند به وجود می آیند.
 
میدان مغناطیسی، جهت چرخش (در جهت عقربه های ساعت یا خلاف جهت عقربه های ساعت) را برای ذرات دارای بار الکتریکی و بنابراین سیگنال های الکتریکی تعریف می کند. بنابراین وقتی فیزیکدانان می گویند که یک دستگاه تقارن واژگونی زمان را می شکند، معمولاً منظورشان این است که در جایی میدان مغناطیسی وجود دارد.
 
گردش کننده های موجود در بازار، یک ناهنجاری در دنیای الکترونیک هستند. بر خلاف ترانزیستورها، دیودها ، خازن ها و سایر عناصر مدار، علم مواد اولیه به این معناست که گردش کننده های تجاری کوچک نشده اند و هنوز هم به اندازه یک سکه هستند.
   
تصویر: یک مؤلفه بزرگ: یک دستگاه سیرکولاتور مایکروویو با باند X که پیکان دایره ای روی برچسب جهت حرکت قدرت را نشان می دهد. ویکی مدیا/آنتونیو پدریرا
 تونل زنی به دلیل ماهیت موجی الکترون امکان پذیر است. مکانیک کوانتومی ماهیت موجی را به هر ذره اختصاص می دهد، و بنابراین احتمال این که موج از میان موانع منتشر شود، همچنان وجود دارد همان طور که صدا از دیوار عبور می کند.بنابراین ساختن آنها در مدارهای میکرو الکترونیکی یکپارچه در مقیاس بزرگ یک چالش است. این امر با افزایش هزاران کیوبیت بر روی تراشه رایانه کوانتومی که هر کدام به گردش کننده مخصوص خود نیاز دارند تا کنترل و خواندن را فعال کنند، به یک مشکل فزاینده تبدیل خواهد شد.
 

خازن شار کوانتومی ما

ما روش جدیدی برای ساختن گردش کننده هایی با اندازه میکرومتری ایجاد کرده ایم که می توانند بر روی یک تراشه کوچک ساخته شوند.
 
ما پی بردیم که چگونه کوانتوم های شار مغناطیسی – کوچک ترین واحدهای میدان مغناطیسی – را با خازن های ریز ساخت و دیگر عناصر مدار ابر رسانا ادغام کنیم تا تقارن معکوس شدن زمان شکسته شود.
 
این منجر به پیشنهاد گردش کننده جدید ما شد. همانند سیرکولاتورها یا گردش کننده های معمولی، یک میدان مغناطیسی حاضر وجود دارد. اما از آن جا که ما تنها از یک کوانتوم شار مغناطیسی می توانیم استفاده کنیم، طراحی ما می تواند میکروسکوپی باشد.
   
تصویر: شباهت طراحی را ببینید: (سمت چپ) خازن شار خیالی از فیلم و (راست) نمای شماتیک گردش کننده پیشنهادی. تام استیس/تصویر از بازگشت به آینده، نویسنده ارائه داده است.
 
ما دستگاه را خازن شار کوانتومی نام گذاری کردیم زیرا نمودار مدار آن شباهت گذرایی به اختراع اسطوره ای داک براون (که به نوعی برای فروش هستند) دارد.
 
با تأسف برای علاقه مندان به تاریخ، طراحی ما، در ساخت ماشین زمان DeLorean به شما کمک چندانی نخواهد کرد: زمان را معکوس یا واژگون نمی کند. اما میدان مغناطیسی آن تقارن معکوس شدن زمان را همان طور که اعلام شده است، می شکند و ما انتظار داریم این دستگاه ها در فناوری های کوانتومی آینده کاربردهایی پیدا کنند.
 در مقیاس کوانتومی، هنگامی که یک ذره با یک مانع ظاهراً غیر قابل غلبه مواجه می شود گاهی اوقات می تواند از داخل آن به طرف دیگر عبور کند - فرایندی که به عنوان تونل زنی کوانتومی شناخته می شود.حتی زودتر، ممکن است در محیط های ارتباطی با پهنای باند بالا مانند ایستگاه های پایه تلفن همراه در جمعیت های بسیار متراکم یا رادار دارای حساسیت فوق العاده بالا که هر فوتون میدان الکترومغناطیسی در آن شمارش می شود، کمک کند.
 
منبع: یو ساتیا سایناد، Technion Institute of Technology، توماس استیس، The University of Queensland، کلمنس مولر، Swiss Federal Institute of Technology Zurich