نظریه ارک-ار(علوم ذهنی و خود آگاهی)

اُرک-اُر (به انگلیسی: Orch-OR) نام اختصاری یک نظریه خودآگاهی کوانتمی است. بانیان آن استوارت وهمروف و راجر پنروز هستند.

نظریه خودآگاهی کوانتومی مدعی است که فیریک کلاسیک نمی‌تواند خودآگاهی را بطور کامل تبیین کند ولی پدیده‌های کوانتومی مثل درهمتنیدگی و برهمنهی ممکن است نقش مهمی درعملکرد مغز داشته باسند و بتوانند پایه‌ای برای تبیین آگاهی باشند.

گالیله و نیوتن (به همراه متاخرانشان هابز، دکارت و لاک) کیفیات ثانویه را از حوزه جهان فیزیکی استثناء کرده‌اند .و این موضوع یکی از دلایلی بود که باعث شد فرض شود فیزیک کلاسیک توانایی تبیین هوشیاری را ندارد. فریتجوف کاپرا می‌نویسد:

((برای آنکه طبیعت بوسیله ریاضی قابل توصیف باشد، گالیله مسلم فرض کرد که دانشمندان باید به مطالعه شناخت ذاتی اجسام مادی(شکل- تعداد و حرکت) که بتوان آنها را انداره گیری کرد، بپردازند و سایر خصوصیات مثل رنگ صدا، مزه و بویایی که صرفا تاٌثراتی ذهنی و شخصی هستند، از حوزه علم خارج کنند.))

اما پیشرفت علم در زمینه علوم شناختی ،عصب شناسی و فیزیک کوانتوم باعث کمرنگ شدن این ایده و راه اندازی مطالعات جدی و امیدوار کننده در این حوزه بسیار مهم شده‌است. مدافعین خودآگاهی کوانتومی استدلال می‌کنند کیفیات ادراکی مثل صدا، مزه و بویایی و تجارب درونی خودآگاهی یعنی حافظه و رویا دیدن را که قسمت ضروری تجارب انسانی می‌باشند، به دلیل عدم تبیین رضایت بخش توسط فیزیک کلاسیک نمی‌توان نادیده گرفت ، لذا همواره در تلاشند تا با تکیه بر کوانتوم مدرن پرده از اسرار این معمای پیچیده بردارند.

مسئله (ذهن – بدن) از دیدگاه کلاسیکی:

 

«مسئله ذهن–بدن» یکی از مسايل اساسی فلسفه ذهن است.

در مکانیک کلاسیکی جهان قابل اندازه گیری است، اندازه گیری‌ها حالت واقعی جهان را مشخص می‌کنند و رفتار پدیده‌ها دترمینیستی است. اگر موقعیت و سرعت اولیه مجموعه‌ای از ذرات مشخص باشد، آینده آن ذرات قابل پیش بینی است. وقتی این فرض‌ها به یک مشاهده گر نسبت داده می‌شود، نتیجه این است که با داشتن اطلاعات کافی در زمان حال، همه رفتار آینده مشاهده گر قابل توصیف خواهد بود. این موضوع باعث شده‌است که بسیاری از دانشمندان ایدة دوگانه انگاری ذهن- جسم را که با دکارت در فلسفه مدرن مطرح شده بود ، رد کنند و ذهن مشاهده گر را بوسیله حالات کلاسیکی اتم‌های بدن او توصیف کنند. لیکن بسیاری از فیلسوفان از نقطه نظر کلاسیکی توصیف مادی مشاهده گر فرضی فیزیک نیوتنی را به عنوان تنها ابزار توصیف تجارب درونی مورد شک قرار دادند.

از آنجا که دائماً اتم‌های مغز در حال جایگزینی هستند، اطلاعات موجود در مغز، در اتم‌های جدید کپی می‌شود و ادراک در مغز جدید ادامه خواهد یافت. در شرایط خاص یک آزمایش فکری طراحی شده، این نوع از کپی شدن نتایج عجیبی در پی خواهد داشت. دانیل دنت در یک نقد قابل تامل متذکر می‌شود مشاهده گر نیوتنی که دائما به دلیل جایگزینی اتمهای جدید در حال کپی شدن است، قبل از انشعاب کپی‌ها، هیچ راهی وجود ندارد که او بفهمد کدامیک از کپی‌ها است. این بیت اطلاعات فقط بعد از متفاوت شدن کپی‌ها بر او آشکار می‌شود. او این اطلاعات را نمی‌تواند قبل از انشعاب کپی‌ها بداند حتی اگر ازحالات مادی هر دو کپی اطلاعات کاملی بدست آورد.

انتقال به مکانیک کوانتوم:

 

مکانیک کوانتومی بصورت چشمگیری وضعیت مشاهده گر و اندازه گیری‌ها را در توصیف پدیده‌ها دگرگون کرد. مسئله اندازه گیری چگونگی حضور یک مشاهده گر کلاسیکی را در جهان کوانتومی مطالعه می‌کند. جهان کوانتومی برهمنهی حالات متفاوت بسیاری را توصیف می‌کند، اما ادراک ما از آن برهمنهی، بصورت حالت کلاسیکی در جهان ماکرو سکوپیک است، بدین معنی که همان زیر مجموعه کوچکی از حالات مختلف که با توجه به اصول مکانیک کوانتوم، اجازه بر همنهی دارند، تعداد کم اما مشخص از خصوصیاتی کلاسیکی مثل موقعیت و تکانه خواهند داشت. از اینرو این سوال که چگونه وچرا تجارب پدیداری ما بصورت جهان کلاسیکی،از درون مکانیک کوانتومی حاصل می‌شود،از مسائل اساسی و بنیادین تئوری کوانتوم می‌باشد.

مشاهده در فیزیک کوانتوم:

گربه شرودینگر مسئله‌ایست که مستقیما به «مشاهده‌گر» مربوط میگردد.

شایعترین تفسیر استاندارد از مکانیک کوانتوم تفسیر کپنهاگی است که توسط بوهر و هایزنبرگ ارائه شده‌است. از نقطه نظر کوانتوم کپنهاگی تابع موج فقط احتمال حضور ذره کوانتومی در فضا – زمان را نشان می‌دهد. از این رو این امواج احتمالاتی در طول زمان با توجه به معادلات ارائه شده پخش می‌شوند، لیکن وقتی مشاهده‌ای رخ می‌دهد این امواج در یک نقطه خاص متمرکز می‌شود و هویت ذره‌ای موج کوانتومی پدیدار می‌گردد، که معنی این ادعا این است که مشاهده، یک ذره را در یک جایگاه واقعی قرار می‌دهد،چرا که در آن لحظه، ذره بوسیله موج احتمال منتشر قابل تبیین نیست. از اینرو در مکانیک کوانتومی، مشاهده نقش منحصربه فردی بازی می‌کند (برخلاف مکانیک نیوتنی که مشاهده یک اتفاق در دینامیک پدیده‌ها است و فیزیک به کار خود ادامه خواهد داد چه اندازه گیری شود و چه نشود؟). اما در این زمینه سؤال مهمی مطرح می‌شود که: یک اندازه گیری شامل چه چیزهایی است؟ آیا حتماً این عمل بصورت آگاهانه صورت می‌گیرد (یعنی باید یک مشاهده گر هوشمند حضور داشته باشد)؟چرا که اگر سیستم اندازه گیری، یک سیستم فیزیکی دیگر باشد، باز پدیده قابل توصیف بوسیله یک تابع موج خواهد بود. بنابراین دلیلی برای تقلیل تابع موج وجود ندارد.

از دیدگاه کپنهاگی، مکانیک کوانتوم تنها برای پیش بینی احتمال حالات مختلف قبل از مشاهدات خاص، کاربرد دارد. آنچه که یک مشاهده را تشکیل می‌دهد، مستقیما توسط تئوری مشخص نمی‌شود، بلکه رفتار سیستم بعد از مشاهده کاملا متفاوت از رفتار معمولی آن می‌باشد. طی مشاهده، تابع موج که سیستم را توصیف می‌کند به یکی از چندین حالت مختلف تقلیل می‌یابد. از اینرواگر مشاهده‌ای صورت نگیرد این تقلیل رخ نخواهد داد.

بر خلاف مکانیک کلاسیکی، در مکانیک کوانتوم هیج راهی برای تعیین حالات واقعی جهان وجود ندارد. تابع موج که سیستم را توصیف می‌کند بصورت برهمنهی‌های بزرگتری از حالات ممکن متفاوت منتشر می‌شود. گربه شرودینگر بیانی خاص از این موضوع است. بعد از تعامل با سیستم کوانتومی،تابع موج گربه، آن را بصورت برهمنهی از حالات مرده وزنده توصیف می‌کند. بوسیله مکانیک کوانتوم قابل پیش بینی خواهد بود که یک مشاهده گر که در حال مشاهده برهمنهی کوانتومی است، برهمنهی را توصیف خواهد کرد که در آن مشاهده گران متفاوت، چیزهای متفاوت خواهند دید. دقیقا مثل گربه شرودینگر، مشاهده گر تابع موجی خواهد داشت که همه حالات ممکن را توصیف می‌کند، با وجود این در یک تجربه واقعی، یک مشاهده گر هرگز یک برهمنهی را احساس نمی‌کند. بلکه اغلب چنین احساس می‌کند که یکی از حالات ممکن با قطعیت رخ داده‌است. این تعارض واضح بین توصیف یک تابع موج و تجارب کلاسیکی، مسئله مشاهده (The Problem of Observation) نامیده می‌شود. طرفداران نظریه کوانتوم از این مسئله آگاه بودند و هریک موضع خاصی در مورد آن اتخاذ کرده‌اند.

هایزنبرگ و پائولی معتقد بودند که مشاهده گر باعث تقلیل تابع موج می‌شود. این ادعا هرگز کاملاً بوسیله بوهر پذیرفته نشد بلکه او این موضوع را تا حدودی مسئله‌ای معرفت شناختی و مربوط به اشکالات بازی زبانی که برای توصیف پدیده‌های کوانتومی بکار می‌بریم می‌دانست چرا که توصیف پدیده‌های کوانتومی بوسیله مفاهیم کلاسیکی از علل این تناقض و ناسازگاریها است. البته در عین حال او تابع موج را توصیف کاملی از پدیده کوانتومی می‌دانست و با نگرشی کل گرایانه معتقد بود که پدیده کوانتومی مستقل، قابل توصیف نیست بلکه پدیده کوانتومی شامل مشاهده گر، دستگاه اندازه گیری و آن پدیده خاص می‌باشد.

آلبرت اینشتین با اینکه خود از اولین کسانی بود که ایده کوانتوم را مطرح کرده‌است، هیچوقت نتوانست فیزیک کوانتوم را به عنوان یک تئوری کامل بپذیرد، بلکه آنرا تنها یک تبیین می‌دانست، او بدنبال واقعیاتی موجبیتی و مستقل از مشاهده گر می‌گشت و نتایج تئوری کوانتومی را نمی‌توانست تحمل کند چرا که دائماً می‌گفت: «نمی‌توانم باور کنم خدا تاس بازی می‌کند.»

آلبرت انیشتین، دوبروی و دیوید بوهم بر آن بودند که مکانیک کوانتوم ناقص است و تابع موج فقط یک توصیف آماری از یک ساختار عمقی تر موجبیتی می‌باشد و در حقیقت تابع موج فقط یک ابزار آماری برای مشاهده گری است که از متغیرهای پنهان ذات عالم ناآگاه هستند. جان بل در سال ۱۹۶۴ متغیرهای پنهان موضعی (Local Hidden Variable) را با استفاده از نامساوی خود رد کرد. ولی همچنان امکان وجود متغیرهای پنهان غیر موضعی وجود دارد.

دیوید بوهم تئوری خود را بر این اساس مطرح می‌کند و با فرمولاسیون نسبتاً پیچیده و مطرح کردن موج راهنما بر اساس متغیرهای پنهان غیر موضعی ، تمام نتایج مکانیک کوانتومی را بدست می‌آورد، لیکن بنا به دلایل مختلف هنوز از طرف فیزیکدانها پذیرفته نشده‌است. امروزه در میان فیزیکدانها، تفسیر کپنهاگی هایزنبرگ غالب است. در این دیدگاه مشاهده گر هوشیار باعث تقلیل تابع موج می‌شود و این ایده که در ۱۹۲۰ مطرح شد اولین پیوند بین فیزیک کوانتوم و خودآگاهی بوده‌است. یوجین ویگنر می‌نویسد:

((از وقتی که تئوری‌های فیزیکی آنقدر توسعه داده شده‌اند که شامل پدیده‌های میکروسکوپی شود، مفهوم خودآگاهی دوباره نقشی اساسی پیدا کرد، چرا که فرمول بندی قوانین مکانیک کوانتوم بصورت کاملاً سازگار بدون ارجاع به خودآگاهی ممکن نبود.))

تئوری «تقلیل عینی هماهنگ» Orchestrated objective Reduction:

یکی از مهمترین تئوریهای مطرح شده در حوزه خودآگاهی کوانتومی، تئوری «تقلیل عینی هماهنگ» می‌باشدکه در پائین بصورت خلاصه به توصیف آن می‌پردازیم: این تئوری توسط راجر پن روز (متخصص فیزیک نظری) و استوارت همروف (متخصص بیهوشی) بطور جداگانه مطرح شده‌است و سپس در سال ۱۹۹۰ ایده هایشان را تحت عنوان Orch-OR (تقلیل عینی هماهنگ) ارائه دادند. مطابق این تئوری خودآگاهی از مغز حاصل می‌شود و بویژه در این تئوری تمرکز روی محاسبه‌های پیچیده‌ای است که در مکان‌های ارتباطی نورونها یعنی سیناپسها رخ می‌دهد. پن روز مسئله را از نقطه نظر ریاضی و بویژه تئوری ناتمامیت گودل بررسی کرد و همروف در یک پژوهش در مورد سرطان و بیهوشی و مطالعه روی نورونها به این ایده رسید.

تئوری ناتمامیت گودل:

 

در سال ۱۹۳۱ ریاضی دان و منطق دان معروف، گودل ثابت کرد که هر تئوری که توانایی بیان حساب مقدماتی (Elementary Arithmetic) را داشته باشد نمی‌تواند هم سازگار و هم کامل باشد. علاوه بر آن، برای هر تئوری صوری سازگار که حقایق محاسباتی پایه‌ای خاصی را ثابت می‌کند، یک گزاره محاسباتی صادق وجود دارد که توسط تئوری ثابت نشده‌است. پن روز در کتاب اول خود در مورد خودآگاهی The Emperors new mind (۱۹۸۹) ، تئوری گودل را پایه کار خود قرار داد که فوراً تبدیل به موضوعی بحث انگیز جدی شد. او استدلال کرد که تئوری نشان داد که مغز این توانایی را دارد به شیوه‌ای که توسط سیستم‌های صوری و اصول موضوعه‌ای قابل دست یابی است، عمل کند. این بدین معنی است که ذهن دارای عملکردهای دیگری است که بر پایه الگوریتم‌ها (سیستم‌ها یا قواعد محاسبه) نمی‌باشد. یک کامپیوتر صرفاً بوسیله الگوریتم‌ها بدست می‌آید. پن روز ادعا کرد که مغز می‌تواند اعمالی را انجام دهد که هیچ کامپیوتری قادر به انجام آن نیست. او این نوع عملکردها را عملکردهای غیرقابل محاسبه(non-computable) نامید.

سطح کوانتومی (The quantum Level):

کنفرانس Toward A Science of Consciousness هر دو سال یک بار در توسان، آریزونا برگزار می‌شود. تصویری از این کنفرانس در سال ۲۰۰۸، در حال بررسی و بحث روی نظریه ارک-آر. بر روی سن در تصویر، ستانیسلاس دوهین، کریستف کخ، و مایکل تای دیده می‌شوند.

پنرز به این نتیجه رسید که بعضی از عملکردهای مغز انسان ممکن است بوسیله الگوریتم‌ها حاصل نشده باشد. از آنجا که قوانین فیزیکی بوسیله مدل‌های الگوریتم توصیف می‌شوند، نتوانست از خصوصیات و فرآیندهای فیزیکی در این زمینه استفاده کند. از اینرو تئوری کوانتوم را بعنوان یک الگوی مناسب پذیرفت. در تئوری کوانتوم، واحدهای پایه‌ای، یعنی ذرات کوانتوم(کوانتا) از بعضی جهات کاملاً متفاوت از اشیائی است که در جهان بزرگ ابعاد کلاسیک دیده می‌شود. وقتی این ذرات به اندازه کافی از محیط جدا شوند، آنها بصورت موج قابل توصیف هستند. البته این امواج شبیه امواج مکانیکی مثل امواج سطح دریا نیستند بلکه امواج کوانتومی اساساً امواج احتمالاتی هستند که احتمال پیدا کردن یک ذره را در یک موقعیت خاص بیان می‌کنند. قله موج مکانی را مشخص می‌کند که بالاترین احتمال پیدا کردن ذره وجود دارد. موقعیت‌های متفاوت ممکن یک ذره، برهمنهی یا برهمنهی کوانتومی نامیده می‌شود.

تا اینجا در مورد یک ذره مجزا صحبت شد حال اگر این ذره کوانتومی اندازه گیری شود و یا در تعامل با محیط واقع گردد، خصوصیت موجی آن ناپدید می‌شود و کوانتا در یک نقطه خاص یافت می‌شود. این تغییر معمولاً تقلیل تابع موج نامیده می‌شود. هنگامی که تقلیل رخ می‌دهد، انتخاب موقعیت برای ذره کاملاً تصادفی است و این یک انحراف واضح از فیزیک کلاسیک است. هیچ فرآیند علت – معلولی و یا سیستم الگوریتمی وجود ندارد که بتواند انتخاب موقعیت خاص توسط ذره را توصیف کند. این موضوع برای پن روز کاندید مناسبی جهت مبنای فیزیکی آن فرآیند غیر محاسبه‌ای (non-computable) بود که ادعا می‌کرد شاید در مغز وجود داشته باشد.

تقلیل عینی (objective Reduction)

مطابق دیدگاه رایج تقلیل تابع موج یک کوانتا فقط موقع اندازه گیری و یا در حال تعامل با محیط صورت می‌گیرد. پن روز مدعی شد یک کوانتا که در حال تعامل با محیط و یا اندازه گیری نیست و از محیط کاملاً جدا شده‌است، ممکن است به طریق متفاوتی تقلیل پیدا کند. در این زمینه او فرضیه خود را بر تئوری نسبیت عام انیشتین و ایده خاص خودش در مورد ساختار ممکن فضا- زمان بنا نهاد.

نسبیت عام نشان می‌دهد که فضا- زمان بوسیله اشیاء بزرگ انحنا پیدا می‌کند. پن روز به قصد آشتی نسبیت عام و تئوری کوانتوم، مدعی شد که در ابعاد بسیار کوچک این فضا- زمان منحنی، پیوسته نیست، بلکه شبکه‌ای خاص و ناپیوسته تشکیل می‌دهد.

پن روز فرض می‌کند که هر برهمنهی کوانتومی منحنی فضا- زمان خاص خود را دارد. مطابق تئوری او این بیت‌های متفاوت منحنی فضا- زمان، از همدیگر جدا هستند و اشکال تاول مانند در فضا- زمان ایجاد می‌کنند. او ضمنا برای اندازه گیری این حبابهای فضا-زمان محدودیتی به اندازه ثابت پلانک قائل شدوبر آن بود که در اندازه‌های بالاتر از ثابت پلانک، فضا- زمان بصورت پیوسته دیده می‌شود و جاذبه اثر خودش را بر منحنی فضا- زمان اعمال می‌کند، از این رو تابع موج در اندازه‌های بالای ثابت پلانک نا پایدار شده و به یکی از موقعیتهای خاص ذره تقلیل می‌یابد که پن روز این اتفاق را تقلیل عینی می‌نامید.

یک نتیجه مهم تقلیل عینی پن روز این است که زمان تقلیل تابعی از جرم/ انرژی ماده‌ای است که دچار تقلیل می‌شود. بنابراین هرچه برهمنهی بزرگتر و بیشتر باشد تقلیل عینی سریعتر رخ می‌دهد و برعکس هرچه برهمنهی کمتر باشد تقلیل کندتر رخ خواهد داد. مثلاً یک الکترون جهت تقلیل عینی نیاز به ۱۰ میلیون سال دارد و برای یک کیلوگرم جرم (مثلاً گربه شرودینگر) آستانه رسیدن به تقلیل عینی حدوداً ۱۰ ثانیه‌است. بنابراین اشیائی که اندازه‌هایی بین الکترون و یک گربه دارند در یک بازه زمانی که متناسب با زمان پردازشهای نورونی است، تقلیل می‌یابد.

آستانه تقلیل عینی پن روز از اصل عدم قطعیت E = h/t بدست می‌آید. E انرژی گرانشی یا میزان جدایی فضا- زمان بدست آمده بوسیله جرم برهمنهی شده و h ثابت پلانک تقلیل یافته و t زمان لازم برای رخ دادن تقلیل عینی است. در حال حاضر شواهدی به نفع تقلیل عینی پنذروز وجود ندارد لیکن قابل آزمایش است و می‌توان شرایطی را جهت تست این ایده مهیا کرد. مطابق تئوری پن روز در مورد خودآگاهی، انتخاب حالت موقع تقلیل عینی همانند تقلیل پس از اندازه گیری یا تعامل با محیط، بصورت اتفاقی رخ نمی‌دهد، درضمن کاملاً هم الگوریتمی نیست. بلکه پیشنهاد شده‌است که انتخاب این حالات متاثر از سطح بنیادین هندسه فضا- زمان در ابعاد ثابت پلانک می‌باشد.

پن روز مدعی شد این تئوری، ایده‌ای افلاطونی است که نمایانگر حقایق ریاضی محض می‌باشد. حدود ۲۰۰۰ سال پیش فیلسوف یونانی، افلاطون چنین اشکال و ارزش‌هایی را در یک جهان انتزاعی مطرح کرده‌است. پن روز قلمرو افلاطونی را در ابعاد پلانک قرار داد. از اینرو معتقد به سه جهان بود : جهان فیزیکی، جهان ذهنی و جهان ریاضی افلاطون.

مدل تقلیل عینی هماهنگ:

راجر پنرز پیش از یک سخنرانی در دانشگاه تگزاس A&M

راجر پنرز در کتاب اول خود (Emperors of new mind 1989)، در مورد جزئیات اینکه چگونه می‌توان این ایده را درمورد مغز مطرح کرد، سخنی نگفت. همروف وقتی کتاب پن روز را خواند به او پیشنهاد کرد ساختارهای مناسبی در نورونها وجود دارد که می‌توانند کاندید مناسبی برای پردازش کوانتومی و نهایتاً تبیین خودآگاهی باشند. مدل تقلیل عینی هماهنگ (Orch-OR) نتیجه همکاری این دو دانشمند بوده‌است که در کتاب دوم پن روز در مورد خودآگاهی (Shadows of the Mind 1994) مطرح شده‌است. نقش همروف در این تئوری نتیجه مطالعات او روی نورونهای مغزی بوده‌است.

علاقه او بیشترروی اسکلت سلولی (Cytoskeleton) متمرکز شده بود که ساختار حمایتی درونی برای نورون می‌باشد و بویژه میکروتوبولها که مهمترین جزء اسکلت سلولی هستند. با پیشرفت عصب شناسی نقش و اهمیت میکروتوبول و اسکلت سلولی بیشتر شناخته شده‌است.

میکروتوبولها علاوه بر مهیا کردن ساختاری حمایتی از سلول، در انتقال مولکول‌ها مثل واسطه‌های شیمیایی که به سیناپس‌ها متصل می‌شوند، نقش دارند و شکل، رشد و حرکت سلول را کنترل می‌کنند. هامروف میکروتوبولها را به عنوان کاندید مناسبی برای پردازش کوانتومی پیشنهاد داده‌است.

میکروتوبولها از زیر واحدهایی بنام پروتئینهای توبولین تشکیل شده‌است .دیمرهای پروتئین توبولین، بسته‌های هیدرو فوبیک دارد که از هم فاصله دارند که ممکن است الکترونهای π نامتعین داشته باشند. توبولینها در ضمن دارای مناطق غیر قطبی کوچکتری هستند. به عنوان مثال در هر توبولین ۸ اسید آمینه تریپتوفان وجود دارد که حاوی حلقه‌های سرشار از الکترونهای πمی باشد که حدودnm۲ از هم فاصله دارند. همروف مدعی شد که الکترونهای π به اندازهٔ کافی نزدیک هستند که بصورت درهمتنیدگی کوانتومی در آیند. درهمتنیدگی کوانتومی حالتی است که در آن ذرات کوانتومی می‌توانند همدیگر را بصورت آنی از راه دور تحت تاثیر قرار دهند (با سرعت مافوق سرعت نور انتقال اطلاعات رخ می‌دهد) یعنی پدیده‌ای که در اشیاء ماکروسکوپیک با قوانین کلاسیکی ممکن نیست.

همروف معتقد بود تعداد زیادی از الکترونهای π زیر واحدهای توبولین میکروتوبول می‌توانند پدیده بوز- اینشتین را ایجاد کنند.

این پدیده هنگامی رخ می‌دهدکه تعداد زیادی از ذرات کوانتومی هم فاز شوند وبصورت یک شئ کوانتومی نمود پیدا کنند .یعنی خصوصیات کوانتومی در اندازه‌های ماکروسکوپی رخ می‌دهد. از اینروهمروف پیشنهاد می‌کند چنین خصوصیتی از فعا لیت کوانتومی که معمولا در اندازه‌های بسیار کوچک رخ می‌دهد می‌تواند تشدید یابد بطوری که تاثیر زیادی در مغز داشته باشد .

همروف مطرح کرده‌است که چگالیده‌های درون میکروتوبول در یک نورون می‌تواند با چگالیده‌های میکروتوبولهای دیگر نورونها و سلولهای گلیا ل از طریق اتصالات شکافی(Gap Junction) تماس پیدا کنند . اتصالات شکافی اتصالات متفاوتی از سیناپسها هستند که در آن فاصله بین نورونها آنقدر کوچک است که ذرات کوانتومی توسط فرایندی بنام تونل کوانتومی از آن عبور می‌کند. او مدعی شد که اشیاء کوانتومی مثل چگالیده‌های بوز- اینشتین که در بالا ذکر شده‌است می‌توانند بدین طریق به دیگر سلولها انتقال یابند و بنابر این در ناحیه بزرگی از مغز به عنوان یک شئ کوانتومی منفرد منتشر شوند. او همچنین مطرح کرده‌است که عملکرد این پدیده کوانتومی در ابعاد بزرگ منشا امواج گاما در نوار مغز است که با خودآگاهی مرتبط است و نقش اتصالات شکافی را در ایجاد نوسانات گاما با اشاره به مطالعات تاییدی در این زمینه مورد تاکید قرار داده‌است. Orchestrated در Orch .OR بدین معنا است که پروتئین‌های اتصالی مثل پروتئینهای همراه میکروتوبول (MAPs)، پردازش کوانتومی میکروتوبولها را تحت تاثیر قرار می‌دهند یا هماهنگ می‌کنند.

منابع:

 

·                     1-Penrose, Roger (1989). The Emperor's New Mind: Concerning Computers, Minds and The Laws of Physics. Oxford University Press. pp. 480. ISBN 0-19-851973-7.

·                     2-Penrose, Roger (1989). Shadows of the Mind: A Search for the Missing Science of Consciousness. Oxford University Press. pp. 457. ISBN 0-19-853978-9.

·                     3-Marshall, W., Simon, C., Penrose, R., and Bouwmeester, D. (2003). "Towards quantum superpositions of a mirror". Physical Review Letters 91: 130401. doi:10.1103/PhysRevLett.91.130401. http://arxiv.org/abs/quant-ph/0210001.

·                     4-Hameroff, S.R., and Watt, R.C. (1982). "Information processing in microtubules". Journal of Theoretical Biology 98: 549-561. http://www.quantumconsciousness.org/documents/informationprocessing_hameroff_000.pdf.

·                     5-Hameroff, S.R. (1987). Ultimate Computing. Elsevier.5http://www.quantumconsciousness.org/ultimatecomputing.html.

·                     6-Hameroff, Stuart (2008). "That's life! The geometry of ? electron resonance clouds". in Abbott, D; Davies, P; Pati, A (in English). Quantum aspects of life. World Scientific. p. 403-434. http://www.quantumconsciousness.org/documents/Hameroff_received-1-05-07.pdf. Retrieved Jan 21, 2010.

·                     7-Hameroff, S.R. (2006). "The entwined mysteries of anesthesia and consciousness". Anesthesiology 105: 400-412.

·                     8-Hameroff, S. (2009). "The ԣonscious pilotԠ- dendritic synchrony moves through the brain to mediate consciousness". Journal of Biological Physics. doi:10.1007/s10867-009-9148-x.

·                     9-Bennett, M.V.L., and Zukin, R.S. (2004). "Electrical Coupling and Neuronal Synchronization in the Mammalian Brain". Neuron 41: 495-511. doi:10.1016/S0896-6273(04)00043-1. http://dx.doi.org/10.1016/S0896-6273(04)00043-1.

·                     10-Hormuzdi, S.G., Filippov, M.A., Mitropoulou, G., Monyer, H., and Bruzzone, R. (2004). "Electrical synapses: a dynamic signaling system that shapes the activity of neuronal networks". Biochimica et Biophysica Acta 1662: 113-137.

·                     11-LeBeau, F.E.N., Traub, R.D., Monyer, H., Whittington, M.A., and Buhl, E.H. (2003). "The role of electrical signaling via gap junctions in the generation of fast network oscillations". Brain Research Bulletin 62: 3-13.

·                     12-Maudlin, T. (1995). "Between The Motion And The Act... A Review of Shadows of the Mind by Roger Penrose". Psyche 2. http://journalpsyche.org/ojs-2.2/index.php/psyche/article/view/2396/2325. .

·                     13-Moravec, H. (1995). "Roger Penrose's Gravitonic Brains A Review of Shadows of the Mind by Roger Penrose". Psyche 2. http://journalpsyche.org/ojs-2.2/index.php/psyche/article/view/2399/2328.

·                     14-Baars, B.J. (1995). "Can Physics Provide a Theory of Consciousness? A Review of Shadows of the Mind by Roger Penrose". Psyche 2. http://journalpsyche.org/ojs-2.2/index.php/psyche/article/view/2401/2330. . .

·                     15-Hameroff, S. (2006). "Consciousness, Neurobiology and Quantum Mechanics", in Tuszynski, Jack, The Emerging Physics of Consciousness, Springer, pp. 193-253

16-Georgiev, D.D. (2009). "Remarks on the number of tubulin dimers per neuron and implications for Hameroff-Penrose Orch". NeuroQuantology 7 (4): 677-679. http://precedings.nature.com/documents/3860/version/1

 

 

 

|+| نوشته شده توسط کیارش در پنجشنبه هجدهم شهریور 1389  |
 انواع ربات ها
رباتهای امروزی که شامل قطعات الکترونیکی و مکانیکی هستند در ابتدا به صورت بازوهای مکانیکی برای جابجایی قطعات و یا کارهای ساده و تکراری که موجب خستگی و عدم تمرکز کارگر و افت بازده می شوند بوجود آمدند.این گونه رباتها جابجاگر (manipulator) نام دارند . جابجاگرها معمولا در نقطه ثابت و در فضای کاملا کنترل شده در کارخانه نصب می شوند و به غیر از وظیفه ای که به خاطر آن طراحی شده اند قادر به انجام کار دیگری نیستند . این وظیفه می تواند در حد بسته بندی تولیدات , کنترل کیفیت و جدا کردن تولیدات بی کیفیت , و یا کارهای پیچیده تری همچون جوشکاری و رنگزنی با دقت بالا باشد .

robot.jpg

نوع دیگر رباتها که امروزه مورد توجه بیشتری است رباتهای متحرک هستند که مانند رباتهای جابجا کننده در محیط ثابت و شرایط کنترل شده کار نمی کنند . بلکه همانند موجودات زنده در دنیای واقعی و با شرایط واقعی زندگی میکنند و سیر اتفاقاتی که ربات باید با انها روبرو شود از قبل مشخص نیست . در این نوع ربات هاست که تکنیک های هوش مصنوعی باید در کنترلر ربات (مغز ربات) به کار گرفته شود .

رباتهای متحرک به دسته های زیر تقسیم بندی میشوند :

1 : رباتهای چرخ دار

با انواع چرخ عادی

Holio-Robotic-Camera-2.JPG

 

Viper-4wd-robot.jpg

و یا شنی تانک

army-military-robot-control.jpg

mf_robotthief1_f.jpg

2 : رباتهای پادار مثل سگ اسباب بازی AIBO  ساخت سونی  یا ربات ASIMO  ساخت شرکت هوندا

 

6eurtia.jpg

 

m2v2-assembled.jpg

 

2421-AIBO.jpg

 

gdog12.jpg

 

3 : رباتهای پرنده

 

bat%20robot.jpg

 

predator-civilian.jpg

 

robocopter.jpg

 

4 : رباتهای چند گانه ( هایبرید ) که ترکیبی از رباتهای بالا یا ترکیب با جابجاگرها هستند

musical-robots_reuterstoru-hanai.jpg

 

robot-wars.jpg

امروزه ربات ها در همه جا به چشم می خورند و جزیی جدا نشدنی از زندگی ما محسوب می شوند

ربات هایی که به وسیله ی فناوری نانو و میکرو ساخته شده اند و در ابعاد کوچکی به ترتیب  ۹- ۱۰ و ۶۱۰ قادر اند در بدن انسان هوشمندانه عمل های فوق تخصصی مانند تومار مغز گرفتگی شریان ها در اثر چربی اختلالات عصبی درمان سرطان و...

بدون عمل جراحی پر هزینه و خطرناک و یا بعضی از عمل های نا ممکن را انجام دهند

 

bacteriophage.jpg

 

nano-louse.jpg

 

015.jpg

 

nanorobot_8.jpg

 

ربات های انسان نما ساخت ژاپن

dentalrobotG3011_468x637.jpg

 

hrp-4c-fashion-robot.jpg

 

ربات هایی که مکانیزم هایی شبیه به حشرات دارند

 robotic_bee.jpg

 

bae_robotic_spider_concept.jpg

 

hexateuthis_hexapod_robot.jpg

robotic-insects.jpg

 

 

ربات های بسیار کوچک پرنده با قابلیت های جاسوسی

fly_robot_x220.jpg

robotic-fly.jpg

 

robotflyMD2607.jpg

flyvideo.jpg

 

ربات های که در صنعت پزشکی در کمک به معلولین جایگزین اعضای از دست رفته قرار گرفته اند

shadowrobot.jpg

 

robotic-ankle-iraq2.jpg

Robotic_Humans_detail.jpg

ربات های که برای کاوش و تحقیق در خدمت سازمان های هوا فضایی همچون ناسا قرار گرفته اند

 

397e81180b7e3ecd2e237ac96607e859.jpg

 

080307-Dextre_Robot_hmed_1p.widec.jpg

 

miuro-robot.jpg

 

nasagrin.jpg

sts-118_sorties_03.jpg

ربات های نظامی که در پست های بسیار مهمی از جمله سپر های دفاعی موشکی ربات های ماهواره ای هوشمند با سیستم دفاعی لیزری ضد موشکی بالستیک برای جلو گیری از جنگ هسته ای احتمالی ربات های با فناوری جنگ الکترونیکی وربات های مین یاب و...

Sam_6_11_.jpg

 

dsp_satellite.jpg

 

satellite-radio.jpg

 

 

|+| نوشته شده توسط کیارش در یکشنبه بیست و یکم تیر 1388  |
 تاریخ رباتیک

تاریخ رباتیک

1920 داستان نویس اهل چکسلواکی ، کارل کاپک برای نخستین باراز واژه ربات را در یک نمایشنامه به نام R.U.R استفاده نمود. این واژه در اصل از کلمه Robota در زبان چک گرفته شده است که به معنای " کاربدنی سخت و خسته کننده" می باشد.

 1938 اولین مکانیزم پاشش رنگ قابل برنامه ریزی توسط 2 نفرآمریکایی با نامهای ویلارد پلارد و هارولد رزلند برای شرکت دویل بیس ساخته شد.

1942 آیزاک آسیموف کتاب Runaround را که درآن به تعریف سه قانون رباتیک پرداخته بود، منتشر ساخت. 

asimo_vs_usb_robot.jpg

 

 


ادامه مطلب
|+| نوشته شده توسط کیارش در جمعه نوزدهم تیر 1388  |
 کامپيوترهاي کوانتوم : نسل آينده کامپيوترها

کامپيوتر کوانتوم دستگاه محاسباتي است که مشخصا از پديده هاي بارز مکانيک کوانتومي مانند انطباق و جمع آثار براي انجام عمليات بر روي داده ها مستقيما استفاده مي کند.
در کامپيوتر هاي کلاسيک اطلاعات درون بيت ها قرار مي گرفتند ولي در کامپيوتر هاي کوانتوم در کيوبيت ها جاي مي گيرند. اصل اوليه محاسبه کوانتومي اين است که از خواص کوانتومي مي توان براي ساخت يا جايگزيني داده استفاده کرد و آن مکانيزم هاي کوانتومي مي توانند در انجام عمليات گوناگون با اين داده ها، فعال و بکار گرفته شوند.
با وجود اينکه اين گونه محاسبات کوانتومي هنوز دوران طفوليت خود را طي مي کنند، آزمايش هاي گوناگوني انجام پذيرفته اند که در آن ها عمليات محاسبات کوانتومي در بسياري از کيوبيت هاي بسيار کوچک انجام شده اند. تحقيقات در دو حوزه نظري و عملي آن با سرعت زيادي در حال انجام است و دولت ها و سازمان هاي نظامي متعددي در شرکت هايي که از تحقيقات کوانتومي براي توسعه اهداف ملي و نظامي بهره مي برند، سرمايه گذاري مي کنند.


ادامه مطلب
|+| نوشته شده توسط کیارش در شنبه بیست و ششم اردیبهشت 1388
 کليدي براي رمزگشايي
 startreck.teleport3.jpg  

 پژوهشگران به تازگي موفق شده اند که با موفقيت اطلاعات را از يک اتم به اتم ديگر که در دو محفظه جدا در فاصله يک متر هم قرار داشتند، انتقال تله پورت دهند. اين کار قدم کوچکي در جهت تله پورت کردن و گامي کوانتومي براي رمزسازان و رمزگشايان محسوب مي شود.

داستان ها و فيلم هاي علمي- تخيلي زيادي به مفهوم تله پورت کردن اشاره شده است. تله پورت کردن به معني انتقال بي درنگ اشيا و افراد بدون گذر کردن از فضا است. اگر بخواهيم داستان ها، فيلم ها و سريال هاي علمي- تخيلي را که به اين مفهوم اشاره کردند فهرست کنيم، بايد چندين مقاله جداگانه نوشت. تله پورت کردن آرزو و ميلي نيست که به تازگي به ذهن بشر راه پيدا کرده باشد، چرا که مثلاً در داستان علاء الدين در مجموعه هزار و يک شب به اين مفهوم اشاره شده است. اين ميل و هوس در طول قرن ها با بشر همراه بوده است، طوري که در سال هاي اخير هم نشان آن را در داستان هري پاتر يا مجموعه تلويزيوني هيروز يا در فيلم ساخته شده در سال 2008 با نام جامپر هم مي توانيم بيابيم. آيا ما روزي مي توانيم درست مثل هيرو ناکاموراي سريال هيروز، کاپيتان کرک پيشگامان فضا يا ديويد رايس فيلم جامپر خودمان را تله پورت کنيم؟ آيا اين اصطلاح علمي- تخيلي روزي جلوه يي در زندگي عادي مان خواهد داشت؟

پژوهشگران به تازگي موفق شده اند که با موفقيت اطلاعات را از يک اتم به اتم ديگر که در دو محفظه جدا در فاصله يک متر هم قرار داشتند، انتقال تله پورت دهند. اين کار قدم کوچکي در جهت تله پورت کردن و گامي کوانتومي براي رمزسازان و رمزگشايان محسوب مي شود.

البته اگر شما با خواندن اين سطور، انتظار چيزي مثل انتقال کاپيتان کرک در پيشگامان فضا را داريد، بايد بگويم بي جهت نفس را در سينه هايتان حبس نکنيد.

تله پورت کردن، اصطلاحي عجيب و جادويي است، چون به محض اينکه مردم نام آن را مي شنوند، به ياد داستان هاي علمي- تخيلي و همين شخصيت کاپيتان کرک مي افتند. تعبيري که آلبرت اينشتين از تله پورت کردن داشت «عمل شبح وار از مسافت دور» بود، او تصور مي کرد چنين چيزي غيرممکن است. ولي به مدت يک دهه است که کارهايي روي تله پورت کردن کوانتومي انجام مي شود. تله پورت کردن کوانتومي به معني انتقال اطلاعات از جايي به جاي ديگر بدون گذر از يک واسطه فيزيکي است. طي سال ها، آزمايش هاي مربوط به تله پورت، نشان داده اند که اطلاعات کوانتومي (مانند اسپين ذرات يا پلاريزاسيون فوتون) را مي توان به شيوه هاي مختلف تله پورت کرد، ولي تفاوت آزمايشي که در اين مقاله به آن اشاره خواهم کرد و در شماره گذشته ژورنال ساينس منتشر شده است، اين است که براي نخستين بار تله پورت اطلاعات، بين دو اتم مجزا در دو محفظه جدا انجام شده است.

چنين دستاوردي مي تواند در آينده براي ايجاد سامانه هاي ارتباطي بسيار ايمن يا ساخت کامپيوترهاي بسيار هوشمندي که مي توانند رمزنگارهاي امروزي را رمزگشايي کنند يا پايگاه هاي داده بسيار بزرگ را مرتب کنند، مورد استفاده قرار گيرد.

اين آزمايش به وسيله دکتر مونرو و همکارانش در يک پروژه مشترک بين دانشگاه مريلند و ميشيگان انجام شد.

تصور اينکه چنين آزمايشي روزي بتواند به ساخته شدن کامپيوترهاي کوانتومي منجر شود، امروز دشوار است. اما در مقام مقايسه مي توان آزمايش هايي را که روي ترانزيستورهاي نيمه هادي در سال 1957 انجام مي شد، به خاطر آورد، آن زمان هم باور کردن اينکه اين آزمايش ها، روزي فناوري هاي پيچيده يي براي همگان به ارمغان خواهد آورد، دشوار و بلکه غيرممکن بود.

در حال حاضر انتقال اطلاعات با قابليت اطمينان 90 درصد انجام مي شود، ولي مونرو اميدوار است در آينده اطلاعات با 99 درصد صحت منتقل شوند.

مونرو و همکارانش اميدوار هستند که در آينده، شبکه هاي ارتباطي به ياري دستگاه هاي ارتباط کوانتومي ساخته شوند. اين نوع ارتباط بسيار ايمن خواهد بود، چون اگر کسي بخواهد به نوعي به اطلاعات دسترسي پيدا کند، فقط به اطلاعات نامفهومي دست پيدا خواهد کرد.

کامپيوترهاي کوانتومي نسبت به کامپيوترهاي کلاسيک امروزي، عملکرد بسيار بهتري خواهند داشت. يکي از نخستين کاربردهايي که انتظار مي رود اين کامپيوترها موفق به انجام آن شوند، پيدا کردن اعداد اول عددهاي بزرگ است که کليدي براي رمزگشايي محسوب مي شود.

|+| نوشته شده توسط کیارش در شنبه بیست و ششم اردیبهشت 1388
 محاسبه با گره های کوانتومی_Computing with Quantum Knots

مکانیسمی که با آنیون ها – ذراتی نا مانوس – کار می کند، محاسبات را به صورت یک  سری  نوار بافته  در  فضا - زمان تصویر می کند .این می تواند میانبری به محاسبات عملی کوانتومی باشد .کامپیوترهای کوانتومی مدعی انجام محاسباتی هستند، که با انواع معمولی غیر ممکن تصور می شود، برخی از آنها محاسبات مهم جهانی هستند. تقرببا همه ی روشهای کد گذاری که برای داده های حساس استفاده می شوند ، نسبت به الگوریتم های کوانتومی آسیب پذیرند .

توانایی چشمگیر کامپیوترهای کوانتومی به این دلیل است که آنها اطلاعات را به جای بیت ، در واحدهایی به نام کیو- بیت یا کوانتوم بیت باز نویسی می کند. بیت های معمولی می توانند 0 یا 1 باشند ، ساختار میکرو -چیپ های  استاندارد بر این دو پایگی تاکید دارد. برعکس ، کیو-بیت ها می توانند در یک حالت بر هم نهی قرار بگیرند ، که نسبت ها یی از 0 و 1 را با هم فراهم می سازد  کیو- بیت های ممکن را میتوان به صورت نقاطی  در یک کره تصور کرد . قطب شمال کلاسیک همان 1 است و قطب جنوب 0 ، و همه ی نقاط بین آن حاصل از بر هم نهی بین 0 و 1 است .

(' Rules for a Complex Quantum Word ' by Michael A Nielsen  ; Scientific American , November 2002 )

توانمندی منحصر به فرد کامپیوترهای  کوانتومی به دلیل آزادی کیو-بیت ها در حرکت در کل کره می باشد. متاسفانه ، ساخت کامپیوتر های کوانتومی بسیار دشوار می نماید . کیو-بیت ها نوعا به صورت ویژگی های کوانتومی Trapped Particles مانند الکترون ها و یون های مجزای اتمی بیان می شوند . اما حالت های بر هم نهی آنها بسیار شکننده است و می تواند با کوچکترین بر هم کنشی فرو بپاشد که البته  شامل تمام مواد سازنده خود کامپیوترنیز می شود . طبیعی است  اگر کیو- بیت ها به خوبی از اطرفشان عایق بندی نشده باشند ، چنین آشفتگی هایی باعث بروز خطا هایی در محاسبات می شود .

بنابراین بیشتر راهکارها در طراحی کامپیوتر های کوانتومی به روش هایی در کمتر کردن برهم کنش بین کیو بیت ها با محیط ، متمرکز می شود . محققان می دانند که اگر میزان خطا به یک در 10000 کاهش یابد می توان نابودی کیو-بیت های منفرد را جبران کرد. تعداد محدودی از محققین به روش های متفاوتی در ساخت کامپیوتر کوانتومی می اندیشند . از دیدگاه آنان حالت -های کوانتومی ، به ویژگی های توپولوژیکی سیستم فیزیکی وابسته است . توپولوژی مطالعه ی ریاضی ویزگی هایی است که ناوردا می ماند، هنگامی که شیی به صورت هموار، با اعمالی نظیر کشیدن ، فشار دادن و خم کردن و نه با بریدن یا بهم چسباندن آن تغییر شکل دهد . این مباحث با عنوان نظریه گره معرفی می شود . آشفتگی های کوچک ویژگی های توپولوژیکی را تغییر نمی دهد . برای نمونه ، یک ریسمان که به صورت حلقه ی بسته همراه با  گره در آمده ، از نظر توپولوژیکی با حلقه ی ساده (بدون گره) متفاوت است .  ]شکل 1 را ببینید [ .

2woi1yv.jpg

تنها راه تغییر حلقه ی بسته ی ساده (بدون گره ) به حلقه ی بسته ی گره- دار بریدن ریسمان ، بستن گره و سپس دوباره چسباندن انتهای ریسمان است . به طور مشابه ، تنها راه تبدیل کیو-بیت توپولوژیکی به حالت کوانتومی دیگر ، اعمال چنین تغییراتی به آن است . بدیهی است که ضربه های کوچک از سوی محیط کاربه جایی نمی برد . در نگاه اول ،  به نظر نمی رسد که کامپیوتر کوانتومی توپولوژیکی چیزی شبیه به کامپیوتر باشد . در حالیکه محاسباتش را با ریسمان های بافته شده انجام می دهد – البته نه ریسمان های فیزیکی در معنای رایج . این ریسمان ها اشیایی هستند که فیزیکدان ها از آنها به جهانخط یاد می کنند و حرکت ذرات در فضا-زمان را نمایش می دهند ( تصور کنید طول یکی از این ریسمان ها نمایشگر حرکت در زمان باشد وضخامتش ابعاد فیزیکی ذره را نشان دهد ) . علاوه بر آن ، در اولین تصور ، هیچگونه شباهتی به الکترونها وپروتون ها ندارد . آنها در حقیقت برانگیختگی ذرات مجازی در یک سیستم  دو بعدی الکترونیکی هستند که بسیار شبیه به ذرات و پاد ذرات در فیزیک انرژی های بالا رفتار می کند . ذرات مجازی از انواع خاصی به نام  آنیون هستند که ویژگی های ریاضی مطلوب را دارند .

 

در اینجا ممکن است محاسبات چنین روندی داشته باشد : اول یک جفت از آنیون ها بسازید و آنها را در طول خط (world line) قرار بدهید. البته هر جفت آنیون مشابه هر ذره و پاد ذره اش از انرژی خالص بوجود می- آید . سپس جفت های مجاور را به دقت در دوره های معین به دور یکدیگر به حرکت در بیاورید .

هر جهانخط آنیون یک ریسمان می سازد ، و حرکت آنیون ها این ریسمان ها را به هم می بافد .محاسبات کوانتومی در بافته های ویژه ای که شکل گرفته است ، قرار می گیرد . حالت های نهایی آنیون ها ، که نتایج محاسبات را در خود دارند ، توسط همین بافته ها مشخص می شوند نه با بر همکنش های الکتریکی یا مغناطیسی  . و از انجایی که بافته ها توپولوزیکی هستند – ضربه های کوچک ریسمان ها در مسیر، بافته ها را تغییر نمی دهد – به طور ذاتی از آشفتگی های بیرون محافظت می شوند .فکر استفاده از آنیون ها برای انجام محاسبات توسط الکسی و کیتیو در سال 1997 مطرح شد .

مایکل فریدمن ، که اکنون در مایکروسافت فعالیت می کند ، در پاییز 1988 در دانشگاه هاروارد درباره  امکان استفاده از توپولوزی کوانتومی در انجام محاسبات سخنرانی کرد . این نظرات در یک مقاله ی تحقیقی در سال 1998 انتشار یافت ، که بر اساس آن تحقیقاتی در باب یافتن کمیت های ریاضی به نام گره های ناوردا مرتبط با کوانتوم فیزیک سطوح دوبعدی متغیر با زمان ، شکل گرفت . اگر نوعی سیستم فیزیکی ساخته بشود ، و اندازه گیری مناسبی هم صورت بگیرد ، گره ناوردا تقزیبا به طورخودکار محاسبه شده است  که می تواند جایگزینی مناسب برای محاسبات طاقت فرسا با کامپیوتر های رایج باشد . که طبیعتا میانبری به حل  مسائل مهم جهانی نیز می باشد  .

هر چند به نظر می رسد دیگر نظریه پردازی جسورانه از صحنه کنار رفته است ، اما آزمایش های اخیر در شاخه ای به نام فیزیک کوانتوم کسری هال ، جایگاه آنیون ها را استوار تر ساخته است . همین طور،  آزمایش های بیشتری در آماده سازی مقدمات محاسبات کوانتومی توپولوژیکی ، پیشنهاد شده است .

آنیون ها

همان طور که قبلا اشاره شد ، یک کوانتوم کامپیوتر توپولوژیکی جهانخط ها را با جا به جا کردن مکان ذرات بهم می بافد . رفتار ذرات هنگام این جا به جایی چگونه است ... . در فیریک کلاسیک اگر شما دو الکترون در مکان های  A و B داشته باشید و مکانشان را جا به جا کنید ، حالت نهایی و اولیه همسانند . زیرا که الکترون ها در حالت اولیه و نهایی  نامتمایزند  . موضوع در مکانیک کوانتوم چندان هم ساده نیست .

تفاوت از آنجایی بر می آید که مکانیک کوانتوم حالت ذره را با کمیتی به نام تابع موج توصیف می کند ، یک بسته ی موج که تمام خواص ذره را در خود دارد – با احتمال یافتن آن در مکان های مختلف در سرعت های متفاوت وغیره . برای مثال ، احتمال یافتن ذره در جایی که تابع موج دامنه ی بزرگتری دارد ، بیشتر است .

یک جفت الکترون با یک تابع موج مشترک توصیف می شود ، و هنگامی که دو الکترون جا به جا می شوند تابع موج برایند منهای 1 برابر تابع موج اصلی است . که این قله ها را به دره ، و بر عکس ، تغییر می دهد .اما هیچ اثری بر دامنه ی نوسان ندارد . در واقع ، این هر کمیت قابل اندازه گیری دو الکترون را تغییر نمی دهد .

آنچه که تغییر می کند چگونگی  تداخل آنها با یکدیگر است . تداخل زمانی رخ می دهد که دو موج با یکدیگر جمع می شوند .هرگاه  قله ها ی یکی برقله های دیگری بیافتد ، موج ترکیب دامنه زیادی خواهد داشت ( تداخل سازنده ) و دامنه ی کمی خواهد داشت  اگر قله های یکی بر دره های دیگری بیافتد ( تداخل ویرانگر)

ضرب یکی از موج ها در فاز منفی 1 ، قله ها و دره هایش را جابه جا می کند بنابراین تداخل سازنده – نقطه ی روشن – به تداخل ویرانگر- نقطه ی تاریک - تبدیل می شود .

به جز الکترون ها ، فرمیون های دیگر مانند پروتون ها و نوترون ها نیز در این مسیر عامل منفی 1 به خود می گیرند . بوزون ها دسته ی مهم دیگری از ذرات هستند که تابع موج آنها در این جا به جایی بی تغییر باقی می ماند . شما امکان دارد تصور کنید که تابع موجشان دریک عامل مثبت 1 ضرب شده است .

از دلایل عمیق ریاضی بر می آید که که ذرات کوانتومی در سه بعد فرمیون یا بوزون هستند . در دو بعد انواع دیگری ممکن است . زیرا که عامل ضرب می توند فاز مختلط باشد . فاز مختلط را می توان به عنوان یک زاویه تصور کرد . به طوری که زاویه 0 درجه متناظر با 1 است ، و زاویه 180 درجه  0  و زوایای بین ، اعدادی مختلط اند . برای نمونه ، زاویه 90 درجه متناظر است با  i ، ریشه مربعی عدد 1- . اگر عامل منفی 1 به عنوان فاز در تابع موج ضرب شود ، هیچ تاثیری بر ویژگی های  اندازه گیری شده  ازذره  ندارد زیرا تمام ماهیت آن ویژگی ها در دامنه ی نوسان موجود است . با این وجود فاز چگونه تداخل دو موج مختلط را تغییر می دهد .

آنیون ها ، ذراتی هستند که در حین جا به جا شدن فاز مختلط به خود می گیرند زیرا هر فاز مختلطی ممکن است پدید آید ، نه فقط  فاز مثبت یا منفی 1 . این گونه ذرات همیشه در همان فاز می مانند .

 

آنیونها فقط در دنیای دو بعدی وجود دارند. ما چگونه می توانیم برای محاسبه ی توپولوژیکی، جفتهائی از آنها بسازیم، وقتی دردنیای سه بعدی زندگی می کنیم ؟ جواب در صفحات ذرات مجازی است . می توان  دو لوحه نیمه رسانا از جنس آرسنیک گالیم را به دقت در کنار هم قرار داد تا گاز الکترونی در فاصله میان آنها بوجود آید . الکترونها به راحتی در دو بعد از فاصله میان نیمه رساناها حرکت می کنند اما از حرکت آنها در بعد سوم ممانعت به عمل می آید ، که آنها را از حد فاصل نیمه رساناها خارج می کند.

فیزیکد ان ها به تناوب روی سیستمهای گاز الکترونی دو بعدی ، خصوصا وقتی تحت الشعاع یک میدان مغناطیسی به شدت متغییر در دماهای بسیار پائین قرار دارند تحقیق کرده اند، زیرا در این شرایط ویژگی های غیرعادی کوانتومی بروز می کند.

به عنوان مثال در اثر هال کوانتومی جزئی ،برانگیختگی در گاز الکترون همانند ذراتی عمل می کند که جزئی از بار الکتریکی را دارد. برانگیختگیهای دیگر،واحدهای شار مغناطیسی را که جزء جدائی ناپذیر ذره اند حمل می کنند.

در سال 2005 ولادیمیر گلدمن ، فرناندو کامینو و وی رو از دانشگاه "وستونی بروک" ادعا کردند که آزمایش مستقیمی در اثبات اینکه ذرات مجازی، دراثر جزئی کوانتومی هال ، آنیون هستند ،که قدم اول مهمی در رویکرد توپولوژیکی در محاسبات کوانتومی است. با این حال برخی از پژوهشگران هنوز در جستجوی مدارک مستقلی در مورد رفتار آنیونی ذرات مجازی هستند،زیرا اثر های غیر کوانتومی خاصی، امکان به وجود آوردن نتایج بدست آمده توسط گلدمن و همکارانش را دارد.

یک موضوع مهم وجدید، در دو بعد، به جابجایی دو ذره مربوط می شود. آیا ذرات برای جابجا شدن به صورت ساعتگرد می چرخند یا پاد ساعتگرد؟ وضعیت انتخاب شده توسط تابع موج به خواص ذرات بستگی دارد. از دیدگاه توپولوژیکی، دو راه متفاوت موجود است زیرا آزمایشگر نمی تواند بدون قطع مسیرها وبرخورد ذرات ،متناوبا چرخش ساعتگرد را با پاد ساعتگرد جابجا کند. ساخت کامپیوتر کوانتومی توپولوژیکی پیچیدگی دیگری نیز دارد : آنیونها باید جزء گروه غیر آبلی باشند. این خصوصیت به این معنی است که جهت چرخش در جابجایی ذرات مهم است . فرض کنید که سه آنیون در یک خط در نقاط A وB وC وجود دارند. ابتدا جای  A وB ، سپس جای ذراتی را که درB وC قرار دارند جابجا کنید. که البته به تغییر تابع موج اصلی می انجامد. اکنون فرض کنید ابتدا و ، سپس به دنبال آن دو ذرات  و جابجا شوند. اگر نتیجه همان تابع موج تغییر یافته باشد، آنیون ها را آبلی می نامیم. واگر عوامل تغییر به ترتیب جابجا یی ها وابسته باشد، آنیون ها غیر آبلی خوانده می شوند .

خاصیت غیر آبلی به این دلیل بوجود می آید که عامل تغییر تابع موج، ماتریسی از اعداد است و نتیجه جابجائی ضرب دو ماتریس به ترتیب ضرب آنها بستگی دارد.

آزمایش انجام شده توسط گروه گلدمن شامل آنیونهای آبلی می شد . با این حال نظریه پردازها دلایل محکمی دارند که برخی از ذرات مجازی کوانتومی هال حتما غیر آبلی هستند. آزمایشهایی پیشنهاد شده اند که به این سوال پاسخ می دهند.

خطوط به هم بافته و درگاه ها 

وقتی که آنیونهای غیر آبلی دارید ، می توانید نمایش فیزیکی چیزی را که به آن گروه جابجایی می گویند، خلق کنید. این ساختار ریاضی ، تمام راههای ممکن برای بافتن ردیفی از ریسمانها را توصیف می کند . هر بافته می تواند با یک سری اعمال ساده که در طی آن دو ریسمان مجاور به صورت ساعتگرد ویا پادساعتگرد جابجا می شوند ، ساخته شوند.

هر سری از دستکاری های امکانپذیر بر روی آنیونها هم ارزبا یک بافته است ، و بلعکس . همچنین به ازای هر بافته یک ماتریس بسیار پیچیده وجود دارد که از ترکیب ماتریسهای مجزایی که هر کدام معرف یک تغییر در آنیونها است به وجود آمده .

اکنون آماده ایم تا ببینیم ، این بافته ها چگونه به محاسبات کوانتومی مربوط می شوند.

درکامپیوتر های رایج ، وضعیت کامپیوتر به وسیله وضعیت کلیه بیت های آن تعیین می شود . به صورت مشابه وضعیت یک کامپیوتر کوانتومی به وسیله وضعیت تمامی کیو-بیت های آن تعیین می شود . در یک کامپیوتر کوانتومی توپولوژیکی ، کیو-بیت ها به وسیله گروههای آنیونها تعیین می شود .

1045c3p.jpg

 

در یک کامپیوتر کوانتومی ، روند گذار همه کیو-بیت ها از حالت اولیه به حالت نهایی به وسیله یک ماتریس که حاصل ترکیب تابع موج تمام کیو-بیت هاست توصیف می شود . تشابهی که با اتفاقات به وقوع پیوسته در یک کامپیوتر کوانتومی وجود دارد مشهود است : در این حالت ، ماتریس وابسته به بافته خاصی است که این جابجایی متناظر با توالی دستکاری آنیونهاست . به این ترتیب ما ثابت کردیم که تمام اعمالی که بر روی آنیونها انجام می شود ، محاسبات کوانتومی را نتیجه می دهد.

یک ویژگی دیگر نیز باید تایید شود : آیا کامپیوتر کوانتومی توپولوژیک ما قادر به انجام تمامی محاسباتی که کامپیوترهای کوانتومی معمولی انجام می دهند هست ؟ فریدمن ، که با مایکل لارسن از دانشگاه ایندیانا و ژنگهان وانگ در ماکروسافت کار می کند ، در سال 2002 اثبات کرد که یک کامپیوتر کوانتومی توپولوژیکی به طور قطع توانایی شبیه سازی هر کدام از محاسبات کامپیوترهای کوانتومی استاندارد را دارد  ، اما با یک نکته : شبیه سازی ها تقریبی هستند . با این حال با هر دقت دلخواه ، مثل یک در ده هزار ، می توان یک بافته که محاسبه مورد نیاز را با دقت مورد نظر شبیه سازی می کند، یافت. هرچه بخواهیم دقت را افزایش دهیم باید تعداد بیشتری چرخش در بافته داشته باشیم .  خوشبختانه تعداد چرخشهای مورد نیاز خیلی آهسته افزایش می یابد ، پس رسیدن به دقتهای به خیلی زیاد چندان هم سخت نیست . هر چند این اثبات نشان نمی دهد که چگونه می توان بافته ی خاصی را به محاسبه کردن ارتباط داد، که البته وابسته به طراحی کامپیوتر کوانتومی توپولوژیکی به ویژه نوع آنیون های به کار رفته و ارتباط آنها با کیو-بیتهای ابتدایی ماست .

مشکل پیدا کردن بافته ها برای انجام محاسبات خاص در سال 2005 توسط نیکولاس بون استیل از دانشگاه ایالت فلوریدا به همراه همکارانی از موسسه تکنولوژی لوسنت از آزمایشگاههای بل ، بر طرف شد . این تیم به روشنی نشان داد که چگونه می توان یک به اصطلاح درگاه کنترل شده NOT یا  "  CNOT  " با دقت دو در هزار به وسیله ی بافتن شش آنیون ساخت. یک دروازه  CNOT دو ورودی میگیرد : یک بیت کنترلی و یک بیت هدف . اگر بیت کنترلی 1 باشد بیت هدف از 0 به 1 یا بلعکس تغییر می کند .در غیر این صورت بیتها تغییر نمی کنند . با کار روی کیو-بیتها ، هر محاسبه ای می تواند توسط شبکه ای از دروازه های CNOT و بر روی عملگر دیگری ، یعنی تکثیر تک تک      کیو-بیتها در فاز مختلط ، ساخته شود . این نتیجه تایید دیگری بر آن است که  کامپیوتر کوانتومی توپولوژیکی قابلیت انجام محاسبات کوانتومی را دارد .

 

2s9asmx.jpg

اعتقاد بر این است که کامپیوتر های کوانتومی قابلیت انجام کارهایی را دارند که  کامپیوتر های کلاسیک از انجام آن عاجزاند. آیا امکان دارد که یک کامپیوتر کوانتومی توپولوژیکی قدرتمندتر از کامپیوتر کوانتومی عادی باشد؟ یک قضیه دیگر ،که توسط فریدمن و کیتا و وانگ اثبات شد ، بیان می دارد که چنین چیزی صحت ندارد. آنها اثبات کردند که هر عملکرد یک کامپیوتر کوانتومی توپولوژیکی را می توان با هر دقت دلخواه و کافی با یک عملکرد در کامپیوتر کوانتومی عادی شبیه سازی کرد ، که یعنی هر چیزی را که یک کامپیوتر کوانتومی توپولوژیکی می تواند محاسبه کند یک کامپیوتر کوانتومی عادی نیز قادر به محاسبه آن است . این نتیجه اشاره به یک قضیه کلی تر دارد که هر سیستم محاسبه گر پیشرفته ای که مبنای کار آن منابع کوانتومی باشد قابلیتی کاملاً برابر با دیگر سیستمها دارد .

ذرات به داخل ، جوابها به خارج

دو جریانی که برای ساخت کامپیوتر کوانتومی توپولوژیکی کاربردی احتیاج است، مورد بررسی قرار گرفت : فرمت بندی کیو-بیتها قبل از آغاز محاسبات و چگونگی خواندن جوابها پس از پایان .

مرحله فرمت بندی شامل ساخت جفتهای شبه ذرات ، و همچنین دانستن نوع شبه ذرات تولید شده است . فرایند پایه ای ، عبور دوآنیون تست کننده از اطراف جفت شبه ذرات و سنجش تغییرات به وقوع پیوسته بر روی آنها است ، که وابستگی مستقیم با نوع شبه ذرات عبوری دارد . ( اگر یک آنیون تغییر کند به طور کامل با جفت خود نابود نمی شود). آنیونهای با نوع غیر مورد نیاز نادیده گرفته می شوند.

مرحله خواندن جوابها نیز مستلزم سنجش وضعیت آنیونهاست . تا زمانی که آنیونها از یکدیگر بسیار دور هستند سنجش غیر ممکن است ، آنیونها باید به صورت جفت در کنار هم بیایند تا قابل سنجش باشند .

به طور کلی این کار مثل چک کردن این پدیده است که آیا این جفت همانند ضد ذرات کاملاّ از بین می روند یا با از بین رفتن آنها محصولاتی از جنس بار الکتریکی یا شار مغناطیسی باقی می ماند، که نشان می دهد وضعیت آنها چگونه تغییر کرده است . این کار را با بافتن آنیون با  ضد ذره ای که همراه آن تولید شده است انجام می دهند.

همچنین تصور اینکه کامپیوتر توپولوژیکی کاملاً در مقابل خطاها مصون می باشد اشتباه است . منبع اصلی خطا ، افت و خیزهای دمایی در لایه ماده است ، که می تواند جفتهای اضافی آنیون را تولید کند . سپس هر دو آنیون خود را در بافته های محاسبات می پیچانند و در انتها با یکدیگر از بین می روند.

خوشبختانه روند تولید زوج دمایی در دماهای پائین که  کامپیوتر کوانتومی توپولوژیکی در آن کار می کنند متوقف می شود . علاوه بر این احتمال وقوع محاسبات ناخواسته با افزایش فاصله واکنش دهندگان به صورت نمائی کاهش می یابد . بنابراین ، فرد می تواند برای رسیدن به هر درجه ای از دقّت کامپیوتر به قدر کافی بزرک بسازد و آنیونهای در حال کار را به اندازه کافی از یکدیگر دور نگه دارد .

محاسبات کوانتومی توپولوژیکی هنوز در نوباوگی خود قرار دارد. هنوز اثباتی بر وجود عناصر ابتدائی کار ، آنیونهای غیر آبلی ، وجود ندارد و ساده ترین دروازه های منطقی هنوز ساخته نشده اند. آزمایش فریدمن ، داس سارما و نایاک که در بالا به آن اشاره شدبه هر دو هدف نائل می شود اگر آنیونها غیر آبلی باشند ، دستگاه به صورت منطقی " NOT " را برای وضعیت کوبیتها نشان می دهد.

هر سه بر آورد می کنند که نرخ خطا دراین جریانات از مرتبه 30- 10 یا کمتر است . این نرخ خطای کوچک به این دلیل اتفاق می افتد که کامپیوترها در دمای بسیار پائین کار می کنند و ابعاد آنها بسیار زیاد است که باعث سقوط نمائی این نرخ می شود. فاکتور نمائی سهمی حیاتی در توپولوژی دارد و هیچ مشابهی در محاسبات کوانتومی مرسوم ندارد .وعده غیر عادی نرخ به شدّت پائین خطا - چندین درجه بزرگی کمتر از چیزی که هر کامپیوترکوانتومی دیگر قادر به دستیابی به آن است - چیزی است که کامپیوتر کوانتومی توپولوژیکی را جذاب می کند . همچنین تکنولوژی ها ی مورد استفاده برای ساخت دستگاههای استفاده کننده از اثر کوانتومی هال به دوران بلوغ خود رسیده اند ، تکنولوژیهای استفاده شده در صنعت میکروچیپ .تنها راه باقی مانده ، استفاده دستگاهها در دماهای بسیار پائین ،در مرتبه میلی کولن، است تا شبه ذرات جادوئی پایدار بمانند .اگر آنیونهای غیر آبلی عملاً وجود داشته باشند ،  کامپیوتر کوانتومی توپولوژیکی به راحتی کامپیوتر کوانتومی عادی را در مسابقه افزایش مقیاس ، از تک کوبیتها و دروازه های منطقی گرفته تا ماشینهای کاملاً پیشرفته تر که بیشتر شایسته نام کامپیوتر هستند ، پشت سر می گذارند. کامپیوترهایی که شامل محاسبات با گره های کوانتومی و بافته هاست، می تواند به ابزار کاربردی استاندارد برای انجام محاسبات کوانتومی بدون خطا تبدیل شود .

ترجمه از

Scientific American,March, 2006

|+| نوشته شده توسط کیارش در شنبه بیست و ششم اردیبهشت 1388  |
 شنل نامرئي و ابر لنزها نتايج تحقيقات در زمينه transformation optics
transformation optics راهي جديد براي کنترل نور در فواصلي از ابعاد ماکرو تا ابعاد نانو مي باشد و نشان دهنده الگويي جديد از شناخت نور است. امروزه تکنولوژي نور داراي محدوديت هايي است، زيرا ابزار و مولفه هايي که براي کنترل نور لازم هستند از طول موج نور بزرگتر هستند. transformation optics از اين محدوديت عبور مي کند. اين جهش بوسيله نوع جديدي از مواد موسوم به "metamaterials"صورت مي گيرد که قادرند نور را در ابعادي که شامل نانو نيز مي شود هدايت و کنترل کنند.
metamaterials موادي هستند که بوسيله اتم هاي مصنوعي "meta-atoms" ساخته و طراحي مي شوند که اندازه آنها از اندازه طول موج نور خودشان کوچکتر مي باشد. يکي از کاربرد هاي اين تکنولوژي ساخت يک شنل يا رداي مغناطيسي است که مي تواند نور را در اطراف خود دچار خمش کند. مانند شار آب در اطراف يک سنگ. اين فرآين باعث نامرئي شدن شنل و اجسامي که در پشت آن قرار دارند مي شود.
روابط رياضي براي transformation optics  شبيه رياضياتي است که برايي نظريه نسبيت عام اينيشتين به کار رفته است. نظريه اي که بيان مي کند گرانش چگونه فضا- زمان را دچار خمش مي کند. از آنجاييکه نسبيت طبيعت انحنا دار فضا و زمان را ثابت مي کند، ما نيز قادريم فضا را  براي نور دچار انحناء کنيم. با استفاده از اين تکنولوژي با انحنا دادن به نور در اطراف يک جسم ، جسم نامرئي مي شود و همچنين به صورت معکوس مي توان با  متمرکز کردن نور در يک منطقه، از انرژي خورشيدي استفاده نمود.
از metamaterials  براي غلبه بر موانعي که در صنعت نيمه رساناها وجود دارد نيز مي توان استفاده کرد. ساخت چيپ هاي سريعتر براي کامپوترها مشکل تر شده است. زيرا تکنولوژي به مرزهاي محدوديت خود رسيده است. با اين مواد مي توان کامپيوترهايي ساخت که به جاي سيگنال الکتريکي با نور کار مي کنند و هزاران بار از رايانه هاي امروزي سريعتر هستند.
 با استفاده از  transformation optics  مي توان لنزهاي ويژه اي "hyperlens " ساخت به طوري که با استفاده از آنها قدرت تفکيک نمايي و بزرگنمايي ميکروسکوپ هاي معولي ده ها برابر شود.
نتايج تحقيقات در اين زمينه در مجله  Science در 17 اکتبر به چاپ رسيده است.

081016141450.jpg

These are graphical representations of numerical simulations depicting four potential applications of a new field called transformation optics. Clockwise from top left are: a design for optical cloaking; a light "concentrator" for sensors and solar collectors; a "planar hyperlens" and "impedence-matched hyperlens" for applications including microscopes.

برای مطالعه بیشتر به مرجع زیر مراجعه فرمایید:

sciencedaily.com

|+| نوشته شده توسط کیارش در شنبه بیست و ششم اردیبهشت 1388  |
 حافظه ي هيبريدي راه حلي براي محاسبه کوانتومي

يک تيم بين المللي از دانشمندان يک حافظه مينياتوري کامپيوتر را که اطلاعات درون هسته يک اتم نگهداري ميکندرا ارائه کردند. اين فن آوري قدمي اساسي براي ساخت کامپيوتر کوانتومي که بر اساس مکانيک کوانتومي پي ريزي شده اند مي باشد.
در مکانيک کوانتومي هر جسم مانند اتم اجازه دارد که در آن واحد در دو مکان قرار داشته باشد و يا متقابلا به تعدادي خواص منحصر به فرد داشته باشد. هر قسمتي از اطلاعات يا" بيت " مي تواند در آن واحد چنيد مقدار را به خود بگيرد که اين برخلاف تکنولوژي حال حاضر مي باشد که مي تواند صفر باشد يا 1.
يک مسئله اين است که چگونه ميتوان يک بيت کوانتومي را از پارازيت هاي محيطي محافظت و ايزوله کرد. اگر اطلاعات در هر لحظه با بيرون هم برهمکنش داشته باشد، مي توان آنها را ويرايش کرد و تغيير داد. گروهي از دانشمندان شامل دانشگاه آکسفورد و پرينستون و آزمايشگاه ملي لاورنس در 23 اکتبر در مقاله اي در مجله Nature  راه حلي براي اين سوال پيشنهاد کردند. طرح اين تيم وسيله اي با سيستم هيبريدي مي باشد که از الکترون و هسته اتم phosphorous که در کريستال سيليکون جاسازي شده است بهره مي گيرد. هر کدام مانند يک آهنرباي کوانتومي که مي توانند اطلاعات را در خود ذخيره کنند عمل مي کنند. اين آزمايش بوسيله سيليکون غني شده با 28Si iso-tope که بوسيله تيم برکلي با زحمت رشد داده شده ميسر شد. بوسيله اين تکنيک اطلاعات کوانتومي ذخيره شده در حدود 1 تا 3/4 ثانيه ماندگاري دارند. در حالي که سابقا اطلاعات در حدود ميليونيوم ثانيه دوام داشتند.

081022164709.jpg

برای مطالعه بیشتر به منبع زیر مراجعه فرمایید:

http://sciencedaily.com

 

|+| نوشته شده توسط کیارش در شنبه بیست و ششم اردیبهشت 1388  |
 اطلاعات کوانتومی و کامپیوتر کوانتومی

مکانیک كوانتوم:

 فيزيك كوانتومي مهم ترين دستاورد علم بشري در توصيف طبيعت است. اين نظريه كه در سالهاي 27-1925 توسط «ورنر هايزنبرگ»، «اروين شرودينگر»، «پل ديراك»، «ماكس پلانك» و چند تن ديگر پايه گذاري شد، اساس تمام ادراك امروزي ما از عالم است. به بيان دقيق تر، مكانيك كوانتومي مجموعه اي از قوانين، روابط رياضي و مفاهيم فلسفي است كه توصيف كننده رفتار ذرات بنيادين تشكيل دهنده عالم است. البته با تعميم همين قوانين و روابط، مي توان رفتار تمام سيستم هاي فيزيكي اي كه پيش از آن بررسي شده بودند را نيز بررسي و تعيين كرد. پايه رياضي اين نظريه جبر خطي عالي است. مفاهيمي از قبيل فضاي هيلبرت ، ماتريس ها، عملگرها، ويژه توابع و ويژه مقادير و تيديلات از مهم ترين موارد مي باشند. در حيطه فيزيك نظريه نيز مباحثي همچون تابع موج، سيستم و تحول آن، فضاي حالت، اندازه گيريها و مكانيك آماري مورد بررسي قرار مي گيرند. همچنين در سطوح بسيار پيشرفته تر و پيشروي اين نظريه عناويني همچون مفهوم و كاربرد اسپين، نظريه اندازه گيري، متغيرهاي پنهان، مساله ناجايگزيدگي، نيروي كوانتومي و ميدان راهنما، پارادوكس EPR  و قضيه بل مطرح مي شوند.

         معرفي مكانيك كوانتومي به عنوان يك ساختمان كاري فيزيكي جديد در ابتداي قرن بيستم منجر به تحولي عظيم در ساختار  چند هزار ساله انديشه بشري شد. مكانيك كوانتومي در ابتداي ظهورش بيشتر از آنكه به يك نظريه انقلابي شباهت داشته باشد به نوعي توجيه براي پاره اي بديهيات تجربي شباهت داشت كه با فيزيك كلاسيك قابل بيان نبودند. سه اثر مهم اين نظريه عبارتند از: 1) از ميان برداشتن جبر گرايي كه همواره اصلي ترديد ناپذير در فيزيك كلاسيك بود، 2) گسترش مفاهيم فيزيك درباره پديده هايي كه تا پيش از آن توجيهي براي آنها وجود نداشت مانند رفتار اتم ها، مولكولها و ذرات زير اتمي و 3) با آمدن مكانيك كوانتومي اين تصور بنيادي نهفته در تفكر بشري كه واقعيتي عيني وجود دارد كه وجودش متكي بر مشاهده شدنش نيست، زير سوال رفت.

         در فيزيك، اصولا هر نظريه اي متشكل از يكسري مجردات خاص است كه آن نظريه درباره آنها بحث مي كند. هر زير مجموعه از اين مجردات كه هدف خاصي را دنبال مي كند يك سيستم در آن نظريه ناميده مي شود. در مكانيك كوانتومي، تمام ذرات بنيادي، تمام مواد شناخته شده در عالم، تمام خصوصيات فيزيكي مانند ميدانها، دماها و ... جزو مجردات مي باشند. به عبارت ديگر اين نظريه را مي توان براي هر موجود فيزيكي ( در معناي عام ) با هر اندازه و نوع به كار برد. به عنوان مثالهايي از چند سيستم كوانتومي مي توان به اتم هيدروژن با هدف تعيين موقعيت آن در يك جعبه سه بعدي، دو الكترون در يك شتابدهنده با هدف تعيين نتيجه حاصل از برخورد پر انرژي شان، يك حجم ديفرانسيلي از پرتوهاي كيهاني با هدف تعيين تكانه زاويه اي و  دو اتم در هم تافته با هدف تعيين حالت اسپيني شان اشاره كرد.

image001.jpg

 کامپيوترهاي کوانتومي:

روياي محاسبات ماشيني يا ماشيني كه بتواند مسائل را در اشكال گوناگون حل كند كمتر از دو قرن است كه زندگي بشر را به طور جدي در بر گرفته است. اگر از ابزارهايي نظير چرتكه و برخي تلاشهاي پراكنده ديگر در اين زمينه بگذريم، شايد بهترين شروع را بتوان به تلاشهاي «چارلز بابيج» و « بلز پاسكال» با ماشين محاسبه مكانيكي شان نسبت داد. با گذشت زمان و تا ابتداي قرن بيستم تلاشهاي زيادي جهت بهبود ماشين محاسب مكانيكي صورت گرفت كه همه آنها بر پايه رياضيات دهدهي (decimal) بود، يعني اين ماشين ها محاسبات را همان طور كه ما روي كاغذ انجام مي دهيم انجام مي دادند. اما تحول بزرگ در محاسبات ماشيني در ابتداي قرن بيستم شروع شد. اين زماني است كه الگوريتم و مفهوم فرايندهاي الگوريتمي (algorithmic processes) به سرعت در رياضيات و بتدريج ساير علوم رشد كرد. رياضيدانان شروع به معرفي سيستم هاي جديدي براي پياده سازي الگوريتمي كلي كردند كه در نتيجه آن، سيستم هاي انتزاعي محاسباتي بوجود آمدند. در اين ميان سهم برخي بيشتر از سايرين بود.

         آنچه امروزه آنرا دانش كامپيوتر و يا الكترونيك ديجيتال مي ناميم مرهون و مديون كار رياضيدان برجسته انگليسي و يكي از غولهاي انديشه قرن بيستم به نام «آلن تورينگ» (Alan Turing) است. وي مدلي رياضي را ابداع كرد كه آنرا ماشين تورينگ مي ناميم و اساس تكنولوژي ديجيتال در تمام سطوح آن است. وي با پيشنهاد استفاده از سيستم دودويي براي محاسبات به جاي سيستم عدد نويسي دهدهي كه تا آن زمان در ماشين هاي مكانيكي مرسوم بود، انقلابي عظيم را در اين زمينه بوجود آورد. پس از نظريه طلايي تورينگ، ديري نپاييد كه «جان فون نويمان» يكي ديگر از نظريه پردازان بزرگ قرن بيستم موفق شد ماشين محاسبه گري را بر پايه طرح تورينگ و با استفاده از قطعات و مدارات الكترونيكي ابتدايي بسازد. به اين ترتيب دانش كامپيوتر بتدريج از رياضيات جدا شد و امروزه خود زمينه اي مستقل و در تعامل با ساير علوم به شمار مي رود. گيتهاي پيشرفته، مدارات ابر مجتمع، منابع ذخيره و بازيابي بسيار حجيم و كوچك، افزايش تعداد عمل در واحد زمان و غيره از مهم ترين اين پيشرفتها در بخش سخت افزاري محسوب مي شوند. در 1965 «گوردون مور» اظهار كرد كه توان كامپيوترها هر دو سال دو برابر خواهد شد. در تمام الين سالها، تلاش عمده در جهت افزايش قدرت و سرعت عملياتي در كنار كوچك سازي زير ساختها و اجزاي بنيادي بوده است. نظريه مور در دهه هاي 60 و 70 ميلادي تقريبا درست بود. اما از ابتداي دهه 80 ميلادي و با سرعت گرفتن اين پيشرفتها، شبهات و پرسش هايي در محافل علمي مطرح شد كه اين كوچك سازي ها تا كجا مي توانند ادامه پيدا كنند؟ كوچك كردن ترازيستورها و مجتمع كردن آنها در فضاي كمتر نمي تواند تا ابد ادامه داشته باشد زيرا در حدود ابعاد نانو متري اثرات كوانتومي از قبيل تونل زني الكتروني بروز مي كنند. گرچه هميشه تكنولوژي چندين گام بزرگ از نظريه عقب است، بسياري از دانشمندان در زمينه هاي مختلف به فكر رفع اين مشكل تا زمان رشد فن آوري به حد مورد نظر افتادند. به اين ترتيب بود كه براي نخستين بار در سال 1982 «ريچارد فاينمن» معلم بزرگ فيزيك و برنده جايزه نوبل، پيشنهاد كرد كه بايد محاسبات را از دنياي ديجيتال وارد دنياي جديدي به نام كوانتوم كرد كه بسيار متفاوت از قبلي است و نه تنها مشكلات گذشته و محدوديت هاي موجود را بر طرف مي سازد، بلكه افق هاي جديدي را نيز به اين مجموعه اضافه مي كند. اين پيشنهاد تا اوايل دهه 90 ميلادي مورد توجه جدي قرار نگرفت تا بالاخره در 1994 «پيتر شور» از آزمايشگاه AT&T در آمريكا نخستين گام را براي محقق كردن اين آرزو برداشت. به اين ترتيب ارتباط نويني بين نظريه اطلاعات و مكانيك كوانتومي شروع به شكل گيري كرد كه امروز آنرا محاسبات كوانتومي يا محاسبات نانو متري (nano computing) مي ناميم. در واقع هدف محاسبات كوانتومي يافتن روشهايي براي طراحي مجدد ادوات شناخته شده محاسبات ( مانند گيت ها و ترانزيستورها ) به گونه ايست كه بتوانند تحت اثرات كوانتومي، كه در محدوده ابعاد نانو متري و كوچكتر بروز مي كنند، كار كنند. به نمودار صفحه بعد دقت كنيد.

         در اين شكل به طور شماتيك و در سمت چپ يك مدار نيم جمع كننده را مشاهده مي كنيد كه معادل كوانتومي و نانو متري آن در سمت راست پيشنهاد شده است. نوع اتم هاي به كار رفته، نحوه چينش اتم ها، چگونگي ايجاد سلول نمايش يافته ( معماري سلولي ) و چند ويژگي ديگر خصوصيات معادل با گيت هاي به كار رفته در نمونه ديجيتال هستند. يك راه نظري براي پياده سازي سلول در اين طرح، استفاده از «نقاط كوانتومي» (quantum dots) يا چيزي است كه در زبان مكانيك كوانتومي آنرا «اتم مصنوعي » مي ناميم.

image002.gif

ورود به دنياي محاسبات كوانتومي نيازمند دو پيش زمينه مهم است. نخست بايد اصول اساسي و برخي تعابير مهم فلسفي مكانيك كوانتومي را به طور دقيق بررسي كرد. سپس مفهوم اطلاعات در فيزيك نيز، چه به صورت كلاسيك و چه در معناي جديد كوانتومي آن بايد درك شود.

 فیزیک اطلاعات:

براي آنكه بدانيم در فيزيك منظورمان از اطلاعات دقيقا چيست، چند تعبير نسبتا متفاوت را از اطلاعات بايد مد نظر داشت. اين تعابير عبارتد از: 1) اطلاعات در غالب يك الگو، 2) اطلاعات در شكل ورودي حسي، 3) اطلاعات به مثابه تاثيري كه منجر به يك تغير شود و 4) اطلاعات به عنوان پيام. تعبير پيام بودن اطلاعات به آنچه در محاسبات و اطلاعات كوانتومي مطرح مي شود بسيار نزديك است. پيام بودن مستلزم آن است كه فرستنده اي به گيرنده اي مرتبط شود كه مرتبط با بحث كانال هاي ارتباطي است. البته پارازيت ها را در اين گروه قرار نمي دهيم زيرا مانع از جريان ارتباط شده و باعث بروز سوء تعبير مي شوند. اگر به اطلاعات صرفا با ديد پيام نگريسته شود، اين پيام لزوما نبايد دقيق يا درست باشد. پس اطلاعات هر نوع پيامي است كه فرستنده براي ايجاد كردن انتخاب مي كند و البته آنرا از طريق خاصي مي فرستد. اگر اطلاعات را به صورت پيام هايي كه بين فرستنده و گيرنده منتقل مي شوند فرض كنيم آنگاه مي توانيم با معياري آنها را اندازه گيري كرده و بسنجيم. اندازه گيري اطلاعات در غالب پيام، نخستين بار در 1948 توسط " كلود شانن " در نظريه اطلاعات مطرح شد. به طور خلاصه وي پيشنهاد كرد كه اگر فرستنده اي از يك مجموعه شامل N پيام با احتمال مساوي يكي را براي فرستادن انتخاب كند، در اينصورت اندازه " اطلاعاتي كه با انتخاب يك پيام از مجموعه بوجود آمده " لگاريتم در مبناي 2 عدد N است. انتخاب پايه لگاريتمي مطابق است با انتخاب يك واحد براي اندازه گيري اطلاعات. اگر از لگاريتم در پايه 2 استفاده كنيم واحدهاي حاصل را ارقام دودويي يا به اختصار بيت مي ناميم.

         با ورود فيزيك به عرصه محاسبات و اطلاعات تعابير مطرح شده توسط شانن در غالب هايي فيزيكي قرار گرفتند. مهم ترين غالب به كار رفته داخل كردن مفهوم آنتروپي براي توليد نظريه اطلاعاتي جديد بود كه در آن از مكانيك آماري كوانتومي استفاده مي شود. مفهوم اساسي آنتروپي در نظريه اطلاعات در ارتباط با اين مطلب است كه يك سيگنال يا يك رخداد اتفاقي تا چه حد تصادفي است. به عبارت ديگر مي توان پرسيد كه يك سيگنال چه ميزان از اطلاعات را حمل مي كند. براي نمونه متني را به انگليسي در نظر بگيريد كه با دنباله اي از حروف، فضاهاي خالي و علائم نگارشي كد گذاري شده است ( بنابراين، سيگنال ما در اينجا رشته اي از حروف است ). چون نمي توانيم پيش بيني كنيم كه كاراكتر بعدي دقيقا چيست، اين رشته ( يا در واقع سيگنال ) كاتوره اي است. آنتروپي در واقع معياري از اين كاتورگي است. آنتروپي يك منبع اطلاعاتي به معناي تعداد ميانگين بيت ها به ازاي علامت لازم براي كد گذاري آنها است. البته توجه به دو نكته ضروري است: اول آنكه بسياري از بيت هاي داده اي ممكن است هيچ نوع اطلاعاتي را نرسانند و دوم اينكه مقدار آنتروپي هميشه عدد صحيحي از بيت ها نيست.

         با معرفي اطلاعات فيشر به عنوان تعبير نهايي فيزيكي اطلاعات، رهيافت به حداكثر رساندن اطلاعات فيزيكي از طريق تغيير دامنه احتمال سيستم، اصل اطلاعات فيزيكي فرين (EPI) در واقع ابزاري براي كشف قوانين خالص علم است. تا آنجا كه به فيزيك مربوط مي شود، قوانين طبيعي در غالب معادلات ديفرانسيل يا توابع توزيع آشكار مي شوند، مانند تابع موج شرودينگر يا تابع توزيع فرمي- ديراك. اصل EPI بر اين تفكر استوار است كه مشاهده يك پديده " منبعي " هرگز به طور كامل دقيق نيست. يعني اطلاعات به حتم در گذر از منبع تا مشاهده شدن، گم مي شوند. مقدار بيشينه در اغلب مشاهدات كمينه است !! يعني در مشاهداتي كه انجام مي دهيم همواره تلاش مي كنيم تا به حداكثر اطلاعات توصيف كننده ساختار مورد نظر دست پيدا كنيم. مفهوم معرفي شده در اين قسمت چكيده مختصري از مفهوم اطلاعات فيزيكي است. در نظريه اطلاعات كوانتومي، بسياري از اين موارد دستخوش تغيير مي شوند.

 محاسبات کلاسیک:

 محاسبات بدون در نظر گرفتن نوع آن، دانشي است كه براي پردازش اطلاعات بوجود آمد. به عبارت دقيق تر، از اصول محاسبات براي پردازش اطلاعات استفاده مي كنيم و از نتيجه حاصل از آن براي برقراري ارتباط با ساير مجموعه هاي فيزيكي بهره مي گيريم. علاوه بر مباني رياضي، در دانش محاسبات، مدل هايي وجود دارند كه پردازش اطلاعات با استفاده از آنها توصيف مي شود. اساسي ترين مدل، مدل ماشين تورينگ است كه قبلا به آن اشاره شد. درك كامل اين مدل به عنوان سنگ بناي دانش اطلاعات اهميت به سزايي دارد. بر اساس همين ساختار نظري، مدل مداري بوجود آمد كه منطق دودويي را به صورت فيزيكي مورد استفاده قرار داد. اين مدل، اساس دانش محاسبات و الكترونيك ديجيتال امروزي است كه در آن از جبر سوئيچينگ كه اصلاح شده جبر بول دو ارزشي است استفاده مي شود. در نظريه مداري مي توان با چند جزء اساسي و اوليه، اعمال گوناگوني را روي واحدهاي اطلاعاتي انجام داد. در واقع يك فرآيند محاسبه اي، به صورت دنباله اي از اين اعمال در نظر گرفته مي شود كه روي رشته اي از واحدهاي اطلاعاتي اجرا مي شوند. علي رغم قدرت بالايي كه سيستمهاي محاسباتي مبتني بر مدل هاي مداري تا امروز بدست آورده اند، بايد خاطر نشان كرد كه هنوز هم در اين فضا مسائلي وجود دارند كه از اين نظر غير قابل حل بوده يا به عبارت بهتر حل و محاسبه آنها با در نظر گرفتن منابع زماني و انرژي، امكان پذير نيست. از اين رو در هر مدل محاسباتي همواره بايد درك كاملي نيز از منابع محاسباتي، كلاسهاي پيچيدگي و محاسبه پذيري داشت.

محاسبات کوانتومی:

كامپيوتر تنها بخشي از دنيايي است كه ما آنرا دنياي ديجيتالي مي ناميم. پردازش ماشيني اطلاعات، در هر شكلي، بر مبناي ديجيتال و محاسبات كلاسيك انجام مي شود. اما كمتر از يك دهه است كه روش بهتر و قدرتمندتر ديگري براي پردازش اطلاعات پيش رويمان قرار گرفته كه بر اساس مكانيك كوانتومي مي باشد. اين روش جديد با ويژگيهايي همراه است كه آنرا از محاسبات كلاسيك بسيار متمايز مي سازد. گرچه محاسبات دانشي است كه اساس تولد آن در رياضيات بود، اما كامپيوترها سيستم هايي فيزيكي هستند و فيزيك در آينده اين دانش نقش تعيين كننده اي خواهد داشت. البته وجود تفاوت بين اين دو به معناي حذف يكي و جايگزيني ديگري نيست. به قول «نيلس بور» گاهي ممكن است خلاف يك حقيقت انكار ناپذير منجر به حقيقت انكار ناپذير ديگري شود. بنابراين محاسبات كوانتومي را به عنوان يك زمينه و روش جديد و بسيار كارآمد مطرح مي كنيم. وجود چند پديده مهم كه مختص فيزيك كوانتومي است، آنرا از دنياي كلاسيك جدا مي سازد. اين پديد ه ها عبارتند از: بر هم نهي(superposition) ، تداخل (interference) ، Entanglement ، عدم موجبيت (non determinism) ، نا جايگزيدگي (non locality) و تكثير ناپذيري (non clonability) . براي بررسي اثرات اين پديده ها در اين روش جديد، لازم است كه ابتدا واحد اطلاعات كوانتومي را معرفي كنيم.

         هر سيستم محاسباتي داراي يك پايه اطلاعاتي است كه نماينده كوچكترين ميزان اطلاعات قابل نمايش، چه پردازش شده و چه خام است. در محاسبات كلاسيك اين واحد ساختاري را بيت مي ناميم كه گزيده واژه «عدد دودويي» است زيرا مي تواند تنها يكي از دو رقم مجاز صفر و يك را در خود نگه دارد. به عبارت ديگر هر يك از ارقام ياد شده در محاسبات كلاسيك، كوچكترين ميزان اطلاعات قابل نمايش محسوب مي شوند. پس سيستم هايي هم كه براي اين مدل وجود دارند بايد بتوانند به نوعي اين مفهوم را عرضه كنند. در محاسبات كوانتومي هم چنين پايه اي معرفي مي شود كه آنرا كيوبيت (qubit) يا بيت كوانتومي مي ناميم. اما اين تعريف كيوبيت نيست و بايد آنرا همراه با مفهوم و نمونه هاي واقعي و فيزيكي درك كرد. در ضمن فراموش نمي كنيم كه كيوبيت ها سيستم هايي فيزيكي هستند، نه مفاهيمي انتزاعي و اگر از رياضيات هم براي توصيف آنها كمك مي گيريم تنها بدليل ماهيت كوانتومي آنها است.

         در فيزيك كلاسيك براي نگه داري يك بيت از حالت يك سيستم فيزيكي استفاده مي شود. در سيستم هاي كلاسيكي اوليه ( كامپيوترهاي مكانيكي ) از موقعيت مكاني دندانه هاي چند چرخ دنده براي نمايش اطلاعات استفاده مي شد. از زمانيكه حساب دودويي براي محاسبات پيشنهاد شد، سيستم هاي دو حالتي انتخابهاي ممكن براي محاسبات عملي شدند. به اين معني كه تنها كافي بود تا سيستمي دو حالت يا دو پيكربندي مشخص، متمايز و بدون تغيير داشته باشد تا بتوان از آن براي اين منظور استفاده كرد. به همين جهت، از بين تمام كانديداها، سيستم هاي الكتريكي و الكترونيكي براي اين كار انتخاب شدند. به اين شكل، هر بيت، يك مدار الكتريكي است كه يا در آن جريان وجود دارد يا ندارد.

QuantumComputer_setupv2.jpg

         هر بيت كوانتومي يا كيوبيت عبارت است از يك سيستم دودويي كه مي تواند دو حالت مجزا داشته باشد. به عبارت فني تر، كيوبيت يك سيستم دو بعدي كوانتومي با دو پايه به شكل  و  است. البته نمايش پايه ها يكتا نيست، به اين دليل كه بر خلاف محاسبات كلاسيك در محاسبات كوانتومي از چند سيستم كوانتومي به جاي يك سيستم ارجح استفاده مي كنيم. اولين كانديد براي نمايش كيوبيت استفاده از مفهوم اسپين است كه معمولا اتم هيدروژن براي آن به كار مي رود. در اندازه گيري اسپين يك الكترون، احتمال بدست آمدن دو نتيجه وجود دارد: يا اسپين رو به بالاست كه با آنرا با  نشان مي دهيم و معادل  است و يا رو به پائين است كه با  نشان مي دهيم و معادل است با |1>| . بالا يا پائين بودن جهت اسپين در يك اندازه گيري از آنجا ناشي مي شود كه اگر اسپين اندازه گيري شده در جهت محوري باشد كه اندازه گيري را در جهت آن انجام داده ايم، آنرا بالا و اگر در خلاف جهت اين محور باشد آنرا پائين مي ناميم. علاوه بر اسپين از وضع قطبش يك پرتو فوتوني و نيز سطوح انرژي مجزاي يك اتم دلخواه نيز مي توان به عنوان سيستم كيوبيتي استفاده كرد. شايد بتوان مهم ترين تفاوت بيت و كيوبيت را در اين دانست كه بيت كلاسيك فقط مي تواند در يكي از دو حالت ممكن خود قرار داشته باشد در حاليكه بيت كوانتومي مي تواند به طور بالقوه در بيش از دو حالت وجود داشته باشد. تفاوت ديگر در اينجاست كه هرگاه بخواهيم مي توانيم مقدار يك بيت را تعيين كنيم اما اينكار را در مورد يك كيوبيت نمي توان انجام داد. به زبان كوانتومي، يك كيوبيت را با عبارت  نشان مي دهيم. حاصل اندازه گيري روي يك كيوبيت حالت |o> را با احتمال C12 و حالت |1>| را با احتمال C22 بدست مي دهد. البته اندازه گيري يك كيوبيت حتما يكي از دو نتيجه ممكن را بدست مي دهد. از سوي ديگر اندازه گيري روي سيستم هاي كوانتومي حالت اصلي آنها را تغيير مي دهد. كيوبيت در حالت كلي در يك حالت بر هم نهاده از دو پايه ممكن قرار دارد. اما در اثر اندازه گيري حتما به يكي از پايه ها برگشت مي كند. به اين ترتيب هر كيوبيت، پيش از اندازه گيري شدن مي تواند اطلاعات زيادي را در خود داشته باشد.

         بر اساس اصل برهم نهي، هر سيستم كوانتومي كه بيش از يك حالت قابل دسترس دارد، مي تواند به طور همزمان در يك تركيب خاص از آن حالت ها هم قرار داشته باشد. در اصطلاح مي گوئيم كه سيستم كوانتومي علاوه بر حالت هاي ناب يك يا چند حالت آميخته يا بر هم نهيده (blend or superposed) نيز دارد. پس اگر يك ساختار حافظه اي n كيوبيتي داشته باشيم، طبق اين اصل، اين تعداد مي توانند در پيكربندي متمايز وجود داشته باشند. به اين ترتيب يك كامپيوتر كوانتومي اين امكان را      مي يابد كه مانند يك كامپيوتر موازي كلاسيك بسيار پر قدرت عمل كند كه در يك لحظه روي چندين مسير اطلاعاتي پردازش مي كند. البته مشاهده و متمايز كردن تك تك اين محاسبه گرهاي كوانتومي غير ممكن است. چون كامپيوتر كوانتومي با تعداد بسيار زيادي مسير محاسباتي كار مي كند، مي توان كاري كرد كه اين محاسبات با هم تداخل يا بر هم تاثير هم داشته باشند. به عبارتي، محاسباتي كه به طور موازي با هم انجام مي شوند طبق اصل تداخل مي توانند اثر هم را تقويت يا تضعيف كنند. در نتيجه محاسبه اي شبكه اي بوجود مي آيد كه نوعي خاصيت جمعي از تمام محاسبات را نشان مي دهد. خاصيت بسيار شگفت انگيز در مكانيك كوانتومي خاصيت در هم تافتگي است. اگر دو يا چند كيوبيت را در بر هم كنش با هم قرار دهيم، مي توانند براي مدتي در يك حالت كوانتومي مشترك قرار بگيرند به طوريكه نتوان آن حالت را به شكل حاصلضربي از حالت هاي جدا از هم اوليه نشان داد. حالت اين واحدهاي اطلاعاتي را گنگ يا نادقيق (fuzzy) مي ناميم. يك نتيجه مهم entanglement اين است كه يك جفت كيوبيت در هم پيچيده روي يكديگر تاثير همزماني را مي گذارند كه به فاصله آنها از يكديگر و ماده اي كه اين فاصله را پر مي كند بستگي ندارد. يك جفت در هم تافته با هم مخلوط نمي شوند بلكه تنها به طور كوانتومي با هم بر هم كنش مي كنند.

نسل اول ماشين هاي محاسبه گر اينچنيني، در واقع تماما كوانتومي نيستند. به اين معني كه تنها سعي شده است تا بخش سخت افزاري آنها بتواند در مقياس نانو و با تكيه بر مكانيك كوانتومي عمل كند. اما الگوريتم ها يا همان نرم افزارهايي كه اين كامپيوترها اجرا مي كنند، كماكان كلاسيكي هستند. از اين رو آنها را «كامپيوترهاي كلاسيكي در مقياس نانو» مي نامند. اما از آغاز قرن جديد، هدف فيزيكدانان طراحي الگوريتم هاي كوانتومي و مطابقت دادن آنها با سيستم هاي سخت افزاري پيشنهادي است تا به يك كامپيوتر كوانتومي واقعي برسند.

image011.gif

در سمت چپ تصوير فوق يك ترانزيستور تك الكتروني (SET) و در سمت راست عنصر محاسباتي كوانتومي يعني يك مولكول قرار دارد. مولكول فوق مربوط به كلروفرم به فرمول  است. اين مولكول ( كه در آن از اتم كربن 13 استفاده مي شود ) مانند يك آهن رباي كوچك عمل مي كند كه مي تواند با ميدانهاي مغناطيسي خارجي بر هم كنش داشته باشد. اسپين هاي هسته اي منابع ذخيره و پردازش اطلاعات هستند.

         قرن نوزدهم به قرن ماشين معروف شد. قرن بيستم نيز قرن روشهاي پردازش اطلاعات شد. اما بي شك بايد قرن بيست و يكم را صده مهندسي كوانتومي ناميد. همان طور كه ظهور مكانيك كوانتومي در يكصد سال پيش، مكانيك نيوتني را نقض نكرد بلكه آنرا تكميل تر كرد، ظهور كامپيوترهاي كوانتومي نيز به معني كنار گذاشتن محاسبات كلاسيك نيست. هدف دانشمندان تنها يافتن روشي براي بدست آوردن پرسش هاي بنيادين خود درباره طبيعت و نحوه عملكرد آن است. پس طبيعي است كه در اختيار داشتن يك ابزار محاسباتي بسيار سريع و كارآمد تا چه حد مي تواند در اين امر ياري رسان باشد. محاسبات و اطلاعات كوانتومي زمينه اي بسيار پيشرفته و نوپا در فيزيك است كه گرچه حركت آن در مقايسه با ساير زمينه ها هنوز كند است اما در مدت كمتر از 10 سال از يك به اصطلاح تئوري محض كه هيچ اميدي به محقق شدن آن نمي رفت، امروز به يك فرآورده عملي تبديل شده و به سرعت در حال پيشروي است. مراكز تحقيقاتي بزرگي در اروپا و آمريكاي شمالي از جمله انيستيتو پريميتر در كانادا، شركت IBM ، دانشگاههايي همچون آكسفورد، MIT ، هاروارد، پرينستون و چندين مركز ديگر به طور جدي روي اين موضوع مشغول تحقيق هستند. هنر فيزيك، تغيير نگرش بشر به عالم پيرامون و توصيف پديده هايي است كه مدتها برايمان جزو اسرار بودند. امروز اعتقاد داريم كه عالم در غالب يك كل، خود يك كامپيوتر كوانتومي است. اما اين ماشين چطور كار مي كند؟ برنامه ريزي و هدايت آن چطور صورت مي گيرد؟ و اينكه اصلا هدف از اين همه محاسبه چيست؟ چيستي عالم محاسباتي، همان غايت نظر فيزيكدانان است، اينكه از كجا آمده ايم و به كجا مي رويم. شايد روزي پس از عقبگرد عالم به نزديكي روزگار نخستينش، در آن انقباض دور از ذهن، در «نقطه امگا» پاسخ تمام پرسش هايمان را بيابيم.

|+| نوشته شده توسط کیارش در شنبه بیست و ششم اردیبهشت 1388
 شبکه‌هاي اطلاعات کوانتومي

شبکه‌هاي اطلاعات کوانتومي

روشي که بتوان از آن براي انتقال اطلاعات کوانتومي از اتم به فوتون‌ها و برعکس استفاده کرد، مي‌تواند براي ايجاد شبکه‌هاي اطلاعاتي جهاني رسوخ‌ناپذير و رايانه‌هايي که با سرعت مبهوت‌کننده کار مي‌کنند، به کار رود. دو گروه تحقيقاتي، به رهبري Mikhail Lukin در دانشگاه هاروارد، و Alex Kuzmich در موسسه فناوري جرجيا، به طور جداگانه و با استفاده از روشي مشابه، اين شاهکار را به انجام رسانده‌اند.
هر دو گروه با استفاده از پالس‌هاي ليزري قدرتمند، اطلاعات کوانتومي را به شکل يک تک فوتون از يک ابر اتمي استخراج نمودند. اين فوتون از يک فيبر نوري معمولي عبور داده شد و اطلاعات کوانتومي را به ابر اتمي بعدي انتقال مي‌دهد.
ايجاد ارتباط بين «حافظه‌هاي کوانتومي» (ابرهاي اتمي)، براي ساخت شبکه‌هاي پيچيده‌اي که از پديده‌هاي کوانتومي (همانند entanglement و superposit ion بهره مي‌برند، ضروري است. شبکه‌هاي کوانتومي با وجودي که براي ايجاد ارتباطات امن و محاسبات فوق سريع بسيار مناسب مي‌باشند، اما نسبت به تداخل بسيار حساسند.
Bill Munro يکي از متخصصان شبکه‌هاي کوانتومي در آزمايشگاه تحقيقاتي شرکت Hewlett Packard در Bristol انگلستان مي‌گويد: «به نظر من اين يک قدم بزرگ به جلو مي‌باشد. وارد کردن نور به يک حافظه به صورت منسجم و سپس خارج کردن آن کليد اصلي قضيه مي‌باشد».
در هر دو آزمايش، از اشعه‌هاي ليزري قوي براي تحريک ابري از اتم‌هاي روبيديوم و توليد يک تک‌فوتون، که حالت کوانتومي اتم‌هاي تحريک شده را با خود حمل مي‌کرد، استفاده گرديد. اين تک‌فوتون از طريق يک کابل فيبر نوري به طول حدود 100 متر، به ابر روبيديوم بعدي انتقال يافت و در آنجا، با استفاده از پالس‌هاي ليزري قوي، حالت کوانتومي اين تک‌فوتون به ابر الکتروني دوم منتقل شد.
Matthew Eisaman يکي از اعضاي تيم دانشگاه هاروارد مي‌گويد؛ مرحله اصلي، فيلتر نمودن تک‌فوتون توليد شده از پالس‌هاي ليزري مختلف است. اين تيم با استفاده از بلورها، اين فوتون‌ها را بر اساس قطبيت، انعکاس‌پذيري، و جذب از هم جدا نمودند.
اين روش مي‌تواند منجر به ايجاد کانال‌هاي ارتباطي راه دور نوري-کوانتومي شود. اين کانال‌ها قابليت ايجاد يک ارتباط کاملاً نفوذناپذير را دارا مي‌باشند، چرا که هرگونه تلاش براي استراق سمع، منجر به برهم خوردن طبيعت کوانتومي داده‌هاي ارسالي مي‌شود.
در حال حاضر، فوتون‌هايي که داده‌هاي کوانتومي را حمل مي‌کنند، تنها مي‌توانند چند ده کيلومتر از طريق کابل نوري منتقل شوند و سپس از بين مي‌روند. اما استفاده از يک «تکرارکنندۀ کوانتومي»، که مي‌تواند اطلاعات کوانتومي فوتون را ذخيره نموده و سپس آن را دوباره انتقال دهد، اين امکان را به وجود مي‌آورد که بتوان داده‌هاي کوانتومي را در فاصله‌هاي زيادي منتقل نمود.
Munro مي‌گويد؛ که با تحت کنترل درآوردن اين روش و انتقال داده‌ها از يک قسمت حافظه دستگاه به قسمت ديگر، مي‌توان رايانه‌هاي کوانتومي توليد نمود. ذرات کوانتومي مي‌توانند همزمان در بيش از يک حالت کوانتومي وجود داشته باشند و اين از نظر تئوري به معني آن است که مي‌توان ميلياردها محاسبه را به طور همزمان انجام داد.
با اين حال هر دو گروه بر اين باورند که قبل از آن که بتوان براي اهداف کاربردي از اين روش استفاده نمود، نياز به توسعه بيشتري وجود دارد.
Eisaman مي‌گويد؛ ضروري است زماني که اطلاعات کوانتومي مي‌توانند از ابرهاي اتمي ذخيره شوند را، از ميليونيوم ثانيه به هزارم ثانيه افزايش دهيم. تنها در اين صورت است که امکان استفاده از اين روش براي ايجاد ارتباط به وجود مي‌آيد.
Kuzmich از موسسه فناوري جرجيا مي‌گويد؛ آزمايشات، «يک گام مهم در ايجاد شبکه‌هاي کوانتومي گسترده» مي‌باشند. او مي‌افزايد: «ايجاد اين شبکه‌ها به گام‌هاي ديگر و زمان بيشتري نياز دارد».

|+| نوشته شده توسط کیارش در شنبه بیست و ششم اردیبهشت 1388
 انتقال اطلاعات میان ماده و نور
با آغاز تدوین پروتکل ارتباطات کوانتومی، زمان انتقال داده ها و حجم این موارد به طور چشمگیر افزایش خواهد یافت.
رویای انتقال سریع داده ها بدون نیاز به محیط واسطه ای خاص و محدود کننده و تلاشها برای رسیدن به حد انتقال کوانتومی داده ها بین ماده و نور هر روز به حقیقت نزدیک تر می شود . بدین ترتیب روزگار طولانی با زمانی فاصله نداریم که انتقال اطلاعات بدون سپری کردن زمان صورت پذیرد و بدین ترتیب می توان اندیشه سرعت بخشیدن به انتقال اطلاعات و آغاز عصر جدید ارتباطات را به واقعیتی بیرونی تبدیل کرد.
گروهی از فیزیکدانان موسسه فناوری جورجیا، گاهی حیاتی و مهم در راه توسعه سیستم های ارتباطات کوانتومی برداشتند، این عمل با انتقال موفقیت آمیز اده های کوانتومی از دو گروه متفاوت اتم به یک فوتون یکتا صورت گرفت. این گام به ظاهر کوچک را می توان به سنگ بنایی تشبیه کرد که با کمک آن امکان ساخت شبکه های کوانتومی بزرگ مقیاس امکان پذیر می شود. این کار که با پشتیبانی مراکز تحقیقاتی ناسا انجام شد. گامی حیاتی برای تکمیل فرآیند انتقال اطلاعات کوانتومی از ماده به نور است. آلکس کوچمیک و دیمتری ماتسو کویچ – که موفق به انتقال اطلاعات از دو ابر الکترون رابییدیوم به درون یک فوتون نوری شده اند – این اطلاعات که بر اساس ساختارهای ابر اتمی منتقل شده است می تواند بر مبنای قطبیدگی (polarization) نوری قابل تشخیص و توجیه شود.
یکی از چالش های اساسی که امروز در قبال طراحی سیستم های مبتنی بر فناوری اطلاعات کوانتومی بنا می شود مطر است بنای شبکه های کوانتومی است و برای موفقیت در این موضوع لازم است اطلاعات پایه کوانتومی یا سیت های کوانتومی را که بر مبنای خواص ماده تعریف می شوند به فوتون ها منتقل کنید. به گفته دکتر کوچمیک روش ارائه شده، نخستین گام در این جهت است و در واقع یک گره از یک شبکه به حساب می آید. با تایید این فرض لازم است گام مهم بعدی برداشته شود و گام بعدی طراحی گره ای مجزا و ایجاد ارتباط میان این گره ها برای طراحی یک شبکه اطلاعاتی است.
واحدهای پایه اطلاعاتی کوانتومی که بیتهای کوانتومی یا qubit نامیده می شوند نسبت به آنچه امروزه در محاسبات مورد استفاده قرار می گیرند کاملا متفاوتند. آنها بر خلاف نمونه های دیجیتال خود که صرفا صفر یا یک را به نمایش می گذارند می توانند به طور همزمان هر دو حالت را در برگیرند و گذشته از آن نسبت به یکدیگر واکنش نشان دهند و در عین حال هریک از آنها خواص منحصر به فردی دارد که می تواند قابلیت تبدیل بیتهای عددی را پیدا کند.
این تیم تحقیقاتی با استفاده از همین خواص اطلاعات کوانتومی توانستند خواص اساسی آنها را به یک فوتونی منتقل کنند.
پیشینه این کار یعنی تلاش برای ایجاد ارتباط میان یک پرتو نوری و خواص کوانتومی به سال 2001 باز می گردد. زمانی که گروهی از محققان از دانشگاه اینسبورگ اتریش تلاشهای اولیه برای این منظور را آغاز کردند. فعالیت تیم تحقیقاتی جورجیا که نتایج کارهای آنها در شماره اخیر (ماه اکتبر) نشریه science منتشر خواهد شد در واقع ادامه کارهای همان تیم اولیه به شمار می رود و پروتکلی به نام dlcz را برای این کار تعریف کرده است.
برای انجام انتقال داده ها به وسیله فوتون های منحصر به فرد، پس از شناسایی خواص اساسی اتمی و اطلاعات وابسته به آنها و بررسی چگونگی روش ارتباط میان آنها به یک خاصیت مشخصه برای آن تهیه و سپس این اطلاعات به یک فوتون منتقل شده و انتشار آن تحت شرایطی صورت می گیرد.
نکته جالب در این روش آن است که پس از تبدیل این بسته های اطلاعاتی به فوتون ها امکان اعمال پردازش های گوناگون روی پرتوهای نوری وجود دارد و الزامی به هر تبدیل مجدد آنها به ماده برتری اعمال پردازش ها وجود ندارد.
برای انجام این تحقیق فیزیکدانان از نوی با طول موج 780 نامومتر استفاده کردند.
برای این که امکان انتقال داده ها از طریق فیبر نوری – که روش استاندارد انتقال داده های نوری است. امکانپذیر شود نتایج نهایی به طول موج 1550 نانومتر تغییر پیدا کرده است.
در انتقال این اطلاعات از ابر الکترونی به تعداد حدود 10 میلیارد اتم استفاده شده است. با وجود آن که می توان ابر تعداد را کاهش داد. اما برای رسیدن به فواید آن و موثر کاربردهای ذره ای ، دست کم 7 تا 10 سال زمان نیاز است.
با تکمیل موفقیت آمیز این پروژه عملا فرصت مناسبی برای تسریع انتقال داده ها به روش کوانتومی ایجاد شده است. اما رسیدن به مرحله ای که بتوان از آغاز عصر ارتباطات کوانتومی که با ظهور رایانه های کوانتومی به نقطه عطف خود خواهند رسید زمانی طولانی در راه راست. ما هنوز محدود به سرعتهای محدود کننده سیلیکونی هستیم و نتوانسته ایم حتی به حد نهایی سرعت و ابعاد کوچک رایانه های سیلیکونی بپردازیم.
فیزیکدانان موسسه فناوری حورجیا موفق شدند داده های کوانتومی را از دو گروه متفاوت اتم به یک فوتون یکتا انتقال دهند.
|+| نوشته شده توسط کیارش در شنبه بیست و ششم اردیبهشت 1388  |
 ذرات بنیادی

ذرات بنیادی

 

جهان ، بزرگترین مجموعه ممکن است که از ذرات بنیادی شکل یافته است. این ذرات توسط نیروهای گرانشی ، الکترومغناطیسی و هسته‌ای به هم پیوند یافته‌اند. سلسله مراتب ساختمانی آن در فضا ( از هسته‌های اتم گرفته تا ابر کهکشانها) و سیر تکاملی آن (از گوی آتشین تا اشکال کنونی) توسط ویژگیهای ذرات بنیادی و برهمکنش آنها اداره می‌شود. بنابراین ، تشریح ساختمان جهان و تکامل آن بر اساس خواص و برهمکنش ذرات بنیادی صورت می‌گیرد.

ماده جهان از ذرات بنیادی تشکیل شده است. اجسام ، بدن انسان ، ستارگان و ... سیستم‌هایی متشکل از ذرات بنیادی هستند که از نظر تعداد و نحوه جفت و جور شدن با هم تفاوت دارند. بنابراین ، وجود ذرات بنیادی باید در تمام پدیده های جهان ملموس باشد. فیزیک ذرات بنیادی درک عمیقتر و دید بالایی را در مورد ساختمان و تکامل اجسام منفرد مانند اتم‌ها ، مولکول‌ها ، بلورها ، صخره‌ها ، سیارات ، ستارگان ، منظومه‌های ستاره‌ای و کل جهان ارائه می‌دهد. برای همین مطالعه ذرات بنیادی برای فیزیک معاصر و بخصوص اختر فیزیک و کیهان شناسی اهمیت اساسی دارد.

 

خواص ذرات بنیادی

  • ذرات بنیادی دیده نمی‌شوند.

جرم ذرات بنیادی

جرم ذرات بنیادی بسیار کوچک است ، از اینرو آنها را می‌توان تا سرعت بالایی رساند. مانند فوتونها که بدون جرم بوده و بالاترین سرعت ممکن «سرعت نور) را دارا هستند. سبکترین ذره با جرم غیر صفر الکترون است با جرمی در حدودme = 9x10-28 gr اغلب به عنوان واحدی برای سنجش جرم سایر ذرات به کار می‌برند. جرم پروتون برابر mp=1836me و جرم نوترون mn=1838.6me می‌باشد.

انرژی ذرات بنیادی

انرژی به سبب تغییرپذیری زیادش بر کل جهان حاکم است که ساختمان فضایی ، تکامل زمانی تمام سیستم‌ها از ذرات بنیادی گرفته تا خوشه‌های کهکشانی را تعیین می‌کند. این تنوع انرژی به چند برهمکنش معدود بین ذرات بنیادی می‌تواند تقلیل یابد.

عدد باریونی

ذرات سنگین ، باریون نام دارند. چنانچه باریونها به حال خود رها شوند ، متلاشی می‌گردند. تنها باریون پایدار پروتون است. در تمام فرایندهای مشاهده شده ، تعداد باریونها همواره بقا دارد «قانون بقای باریون ΔN=0).قانون بقای باریون پایداری پروتونها را بیان می‌کند ، باریونی سبکتر از پروتون وجود ندارد. آزمایشات نشان داده‌اند که مدت زمانی که طول می‌کشد تا پروتون تلاشی یابد طولانی تراز 1022 سال ، یعنی <1012 بار طولانی تر از عمر جهان باشد. عدد بار یونی را با N نشان می‌دهند که برای باریونها (پروتون ، نوترون ، هیپرونها) N=+1 ، برای پاد باریونها N=-1 برای سایر ذرات مزونها ، لپتونها) N=0 ، برای هسته‌ها N>+1 ( N برابرعدد جرمی A است) و برای پاد هسته ها N<-1(Nبرابر –A است) می باشد.

عدد لپتونی

فرمیونهای سبک همان لپتونها هستند که عدد لپتونی را با L نشان می‌دهند. برای لیپون‌ها «الکترون ، موئون ، نوترینو) این عدد برابر L=+1 ، برای غیر لیپونها (باریونها ، بوزونها) این عدد برابر L=0 و برای پالیتونها «پوزیترون ، موئون مثبت ، پادنوترینو) این عدد برابر L=-1 می‌باشدو قانون بقای لیپتون بصورت ΔL=0 می‌باشد. یعنی مجموع تمام لیپتونها قبل و بعد از واکنش مقدار ثابتی دارند.

 

ایزواسپین

برهمکنش قوی نوکلئون‌ها در هسته ، به بار الکتریکی بستگی ندارد. اندرکنش‌های N-P ، N-N ، P-P ، همگی شبیه هم هستند و تفاوت چندانی بین نکلئونهای باردار و خنثی وجود ندارد. که اختلاف آنها به وسطه ایزواسپین بیان می‌شود.

 

 

زوجیت

زوجیت یکی از ویژگیهای اساسی ذرات بنیادی است که متناظر با انعکاس آینه ای مختصات فضایی است. این ویژگی ، یک خاصیت تقارنی تابع موج است. زوجیت ممکن است مثبت یا منفی باشد بر حسب آنکه تابع موج در اثر انعکاس فضایی ، زوج یا فرد باشد. زوجیت در بر همکنش‌های قوی و الکترومغناطیسی بقا دارد. اما در برهمکنش‌های ضعیف نقض می شود.

 

چکیده

ذرات بنیادی واحدهای اساسی برای ساختمان جهان می باشند و بر اساس جرم در حال سکونشان به بار یونها (ذرات سنگین) ، لپتونها (ذرات سبک) و مزونها (ذرات میان وزن) طبقه بندی می شوند.

 

  • بیشتر ذرات بنیادی و احتمال تمام آنها می توانند در نتیجه تبدیل انرژی به ماده به وجود آیند حداقل انرژی لازم برای تولید گروهی از ذرات از معادله انرژی انیشتین بدست می آید.
  • در چگالی های زیاد ذرات ناپایدار «نوترون ، هیپرونها ، مزونها) پایدار می شوند. و نیز ذرات پایدار «الکترون و پروتون) می‌توانند در اثر برخوردهای متقابل با ذرات خود نابود شوند.
  • چنانچه واحدهای اساسی پایدار (ذرات بنیادی پایدار) ، دارای وجود تضمین شده‌ای نباشند، هیچ چیز در جهان مادی وجود تضمین شده‌ای نخواهد داشت.

 

|+| نوشته شده توسط کیارش در شنبه بیست و ششم اردیبهشت 1388  |
 
 
بالا