مکانیک درهم‌تنیدگی کوانتومی: این پدیده چگونه کار می‌کند و شواهد علیه «کنش شبح‌وار» چیست؟

درهم‌تنیدگی کوانتومی به شما اجازه نمی‌دهد پیامی را سریع‌تر از سرعت نور ارسال کنید. با وجود دهه‌ها مقاله عامه‌پسند که به شوخی معروف آلبرت اینشتین در مورد «کنش شبح‌وار از راه دور» اشاره می‌کنند، واقعیت درهم‌تنیدگی بسیار دقیق‌تر، عمیقاً خلاف شهود و کاملاً برای ارتباط آنی بی‌فایده است. در عوض، این پدیده یک همبستگی آماری بین ذرات است که از آنچه فیزیک کلاسیک اجازه می‌دهد قوی‌تر است، و اساس شکننده محاسبات کوانتومی مدرن را تشکیل می‌دهد.[7]

برای درک درهم‌تنیدگی، ابتدا باید ایده ذرات به عنوان توپ‌های بیلیارد کوچک با ویژگی‌های ثابت را کنار بگذاریم. در مکانیک کوانتومی، حالت یک ذره — مانند اسپین یا قطبش آن — تا زمانی که اندازه‌گیری نشود، تعریف‌نشده باقی می‌ماند. هنگامی که دو ذره درهم‌تنیده می‌شوند، توصیف ریاضی آن‌ها در یک حالت مشترک واحد ادغام می‌شود. اندازه‌گیری یک ذره فوراً حالت ذره دیگر را تعیین می‌کند، صرف نظر از فاصله فیزیکی که آن‌ها را جدا کرده است.[5]

مواد تبلیغاتی شرکت‌های نوپای سخت‌افزار کوانتومی اغلب این پدیده را به عنوان «ارتباط» ذرات با یکدیگر توصیف می‌کنند. این از نظر علمی نادرست است. هیچ سیگنالی بین جفت درهم‌تنیده منتقل نمی‌شود. اگر یک فوتون درهم‌تنیده را اندازه‌گیری کنید و اسپین آن را «بالا» بیابید، بلافاصله می‌دانید که شریک آن «پایین» اندازه‌گیری خواهد شد. با این حال، از آنجا که شما نمی‌توانید نتیجه اندازه‌گیری اولیه خود را کنترل کنید — که ذاتاً تصادفی است — نمی‌توانید از این همبستگی برای ارسال پیام استفاده کنید.[7]

این تصادفی بودن ذاتی، اینشتین را آزار می‌داد. او یکی از نویسندگان مقاله معروفی در سال ۱۹۳۵ بود که استدلال می‌کرد مکانیک کوانتومی باید ناقص باشد. او پیشنهاد کرد که ذرات درهم‌تنیده باید حامل «متغیرهای پنهان» باشند — دستورالعمل‌های مخفی و از پیش برنامه‌ریزی‌شده‌ای که رفتار آن‌ها را قبل از اندازه‌گیری دیکته می‌کنند. برای دهه‌ها، این موضوع یک بحث فلسفی باقی ماند، زیرا راه واضحی برای تمایز تجربی بین ذراتی که فوراً ارتباط برقرار می‌کنند و ذراتی که از یک دستورالعمل پنهان پیروی می‌کنند، وجود نداشت.[1]

نقطه عطف در سال ۱۹۶۴ رخ داد، زمانی که جان استوارت بل، فیزیکدان، یک قضیه ریاضی ابداع کرد که می‌توانست فرضیه اینشتین را آزمایش کند. بل نشان داد که اگر ذرات به متغیرهای پنهان متکی باشند، همبستگی آماری بین اندازه‌گیری‌های آن‌ها یک حد بالایی سخت‌گیرانه خواهد داشت. اگر مکانیک کوانتومی درست بود و ذرات واقعاً تا زمان اندازه‌گیری تعریف‌نشده بودند، این حد را نقض می‌کردند و همبستگی‌هایی قوی‌تر از آنچه فیزیک کلاسیک می‌توانست توضیح دهد، تولید می‌کردند.[2][6]

آزمایش قضیه بل نیازمند دقت فوق‌العاده‌ای بود. فیزیکدانان باید جفت‌های درهم‌تنیده تولید می‌کردند، آن‌ها را به آشکارسازهای دوردست می‌فرستادند و آن‌ها را به قدری سریع اندازه‌گیری می‌کردند که هیچ سیگنال با سرعت نور نمی‌توانست در طول آزمایش بین آشکارسازها منتقل شود. در سال ۲۰۱۵، تیمی در انستیتوی ملی استانداردها و فناوری (NIST) یک آزمایش بل «بدون نقص» را در فاصله ۱۸۵ متری انجام داد.[3]

آزمایش NIST، به همراه آزمایش‌های مشابهی که در سطح جهانی انجام شد، به طور قطعی نابرابری بل را نقض کرد. نتایج ثابت کرد که متغیرهای پنهان وجود ندارند. ذرات نه از یک دستورالعمل از پیش نوشته شده پیروی می‌کنند و نه یک سیگنال مخفی سریع‌تر از نور ارسال می‌کنند. جهان به سادگی سطحی از پیوستگی را مجاز می‌داند که شهود کلاسیک را به چالش می‌کشد، پدیده‌ای که اکنون یک واقعیت پذیرفته شده و تأیید شده طبیعت است.[3][4]

این پدیده تأیید شده، موتور محاسبات کوانتومی است. کامپیوترهای کلاسیک اطلاعات را در بیت‌ها پردازش می‌کنند که به طور سختگیرانه ۰ یا ۱ هستند. کامپیوترهای کوانتومی از کیوبیت‌ها استفاده می‌کنند که می‌توانند تا زمان اندازه‌گیری در حالت برهم‌نهی ۰ و ۱ وجود داشته باشند. هنگامی که چندین کیوبیت درهم‌تنیده می‌شوند، قدرت محاسباتی سیستم به صورت تصاعدی افزایش می‌یابد. یک سیستم کیوبیت درهم‌تنیده می‌تواند تعداد زیادی از احتمالات را به طور همزمان نمایش و پردازش کند.[8]

با این حال، ناظر کنجکاو و شکاک باید بین قابلیت نظری و سخت‌افزار عرضه شده تمایز قائل شود. درهم‌تنیدگی به شدت شکننده است. هرگونه تعامل با محیط بیرونی — یک فوتون سرگردان، یک نوسان دمایی جزئی — باعث می‌شود کیوبیت‌ها حالت درهم‌تنیده خود را از دست بدهند، فرآیندی که به عنوان واهمدوسی شناخته می‌شود.[8]

به همین دلیل است که کامپیوترهای کوانتومی مدرن به کرایواستات‌های عظیم و شبیه لوستر نیاز دارند که تا دمای نزدیک به صفر مطلق خنک می‌شوند. چالش اصلی در محاسبات کوانتومی امروز، تولید درهم‌تنیدگی نیست، بلکه حفظ آن به اندازه کافی طولانی برای انجام محاسبات مفید است. هنگامی که یک شرکت پردازنده جدیدی با تعداد رکوردشکن کیوبیت‌ها اعلام می‌کند، معیار واقعی موفقیت، تعداد خام نیست، بلکه وفاداری درهم‌تنیدگی آن‌ها و نرخ خطای سیستم است.[9]

با مقایسه داده‌های تاریخی آزمایش‌های بل بدون نقص با نرخ خطای پردازنده‌های کوانتومی تجاری مدرن، یک الگوی واضح پدیدار می‌شود. فیزیک بنیادی درهم‌تنیدگی، که در آزمایش‌هایی مانند NIST در فواصل صدها متری اثبات شده است، عامل محدودکننده برای مقیاس‌پذیری تجاری نیست. گلوگاه کاملاً واهمدوسی محیطی است. کمال نظری «کنش شبح‌وار» به شدت توسط واقعیت پر سر و صدای سخت‌افزار فیزیکی تضعیف می‌شود.[3][8][9]

بنابراین، نقطه عطف بزرگ بعدی در فناوری کوانتومی، یک دستگاه ارتباطی سریع‌تر از نور نخواهد بود، که از نظر فیزیکی غیرممکن باقی می‌ماند. در عوض، این نقطه عطف توسعه تصحیح خطای کوانتومی قوی خواهد بود — استفاده از چندین کیوبیت فیزیکی برای ایجاد یک کیوبیت «منطقی» پایدار و واحد که بتواند درهم‌تنیدگی خود را به طور نامحدود حفظ کند. درک مکانیک درهم‌تنیدگی، رمز و راز آن را از بین می‌برد و یک همبستگی بسیار خاص را آشکار می‌کند که معماری کاملاً جدیدی برای پردازش اطلاعات فراهم می‌سازد.[9]