Cosmos' Language
شیطان ماکسول جیمز کلارک ماکسول در سال 1867 یک آزمایش فکری جالب به نام شیطان ماکسول را مطرح کرد که در سال 2016 و پس از یک و نیم قرن، دانشمندان طرحی برای عملی کردن آن پیشنهاد کردند. این آزمایش فکری برای اثبات نقض قانون دوم ترمودینامیک طراحی شده بود. قانون دوم…
Photonic Maxwell’s Demon.pdf
453.1 KB
بررسی احتمال نقض قانون دوم ترمودینامیک در سیستمهای کوانتومی
در پست نقض قانون دوم ترمودینامیک، دانشمندان راهی برای نقض این قانون در مقیاس کوانتومی پیدا کرده بودند. اما موضوع این پست، استخراج یک نسخه بسیار دقیقترِ قانون دوم ترمودینامیک است. در واقع آنها احتمال نقض قانون دوم ترمودینامیک را بررسی کردند.
دانشمندان UCL، احتمال نقض قانون دوم ترمودینامیک را در سیستمهای کوانتومی محاسبه کردند. این قانون در بیشتر موارد درست است و سیستمهای فیزیکی از آن پیروی میکنند. این قانون میگوید یک فنجان قهوه داغ در یک اتاق سرد، به جای اینکه گرمتر شود، سرد میشود. در واقع اگر یک فیلم به عقب پخش شود، ما به لطف قانون دوم ترمودینامیک، فورا می توانیم به عقب رفتن آن را تشخیص دهیم.
محققان میگویند موارد نقض قانون دوم ترمودینامیک وجود دارند، اما بسیار نادر هستند. آنها میخواهند بدانند انتروپی، چه مقدار افزایش مییابد و در چه مواردی و با چه احتمالی، انتروپی کاهش مییابد. این سوالات به ویژه در مورد سیستمهای کوانتومی کوچک، بسیار مهم میشوند؛ چرا که در این سیستمها احتمال نقض قانون دوم ترمودینامیک بسیار بیشتر میشود. از طرفی محققان نشان دادند که قانون دوم ترمودینامیک چگونه در کوچکترین مقیاسهای دنیای میکروسکوپی عمل میکند و احتمال بیشینه برای مشاهده نقض آن چقدر است. در واقع آنها به دنبال اثبات یک نسخه دقیقتر قانون دوم ترمودینامیک بودند.
قانون دوم ترمودینامیک معمولاً به صورت یک نامساوی بیان میشود: مثلاً میزان انرژی جریان یافته از یک فنجان قهوه داغ به هوا، باید بزرگتر از صفر باشد. اما این قانون را میتوان به صورت یک مساوی هم نوشت که میگوید دقیقاً چه مقدار انرژی و با چه احتمالی، از هوا به فنجان منتقل میشود. این نسخه تساوی قانون دوم ترمودینامیک، بسیار عمومیتر است و میتوان آن را در مورد سیستمهای کوانتومی به کار برد.
از طرفی این فرمول قانون دوم ترمودینامیک که اطلاعات زیادی را در خود دارد، احتمال و اندازه افت و خیزهای کار و گرما را به طور چشمگیری محدود میکند و به ما میگوید که افت و خیزهای خاصی که قانون دوم ترمودینامیک را نقض میکنند، فقط به طور نمایی و با احتمال پایین رخ میدهند. این یافتهها در مقیاس نانو و برای تکنولوژیهای کوانتومی بسیار حیاتی هستند.
منابع:
Physical Review X 6.041016
Physical Review X 6.041017
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
در پست نقض قانون دوم ترمودینامیک، دانشمندان راهی برای نقض این قانون در مقیاس کوانتومی پیدا کرده بودند. اما موضوع این پست، استخراج یک نسخه بسیار دقیقترِ قانون دوم ترمودینامیک است. در واقع آنها احتمال نقض قانون دوم ترمودینامیک را بررسی کردند.
دانشمندان UCL، احتمال نقض قانون دوم ترمودینامیک را در سیستمهای کوانتومی محاسبه کردند. این قانون در بیشتر موارد درست است و سیستمهای فیزیکی از آن پیروی میکنند. این قانون میگوید یک فنجان قهوه داغ در یک اتاق سرد، به جای اینکه گرمتر شود، سرد میشود. در واقع اگر یک فیلم به عقب پخش شود، ما به لطف قانون دوم ترمودینامیک، فورا می توانیم به عقب رفتن آن را تشخیص دهیم.
محققان میگویند موارد نقض قانون دوم ترمودینامیک وجود دارند، اما بسیار نادر هستند. آنها میخواهند بدانند انتروپی، چه مقدار افزایش مییابد و در چه مواردی و با چه احتمالی، انتروپی کاهش مییابد. این سوالات به ویژه در مورد سیستمهای کوانتومی کوچک، بسیار مهم میشوند؛ چرا که در این سیستمها احتمال نقض قانون دوم ترمودینامیک بسیار بیشتر میشود. از طرفی محققان نشان دادند که قانون دوم ترمودینامیک چگونه در کوچکترین مقیاسهای دنیای میکروسکوپی عمل میکند و احتمال بیشینه برای مشاهده نقض آن چقدر است. در واقع آنها به دنبال اثبات یک نسخه دقیقتر قانون دوم ترمودینامیک بودند.
قانون دوم ترمودینامیک معمولاً به صورت یک نامساوی بیان میشود: مثلاً میزان انرژی جریان یافته از یک فنجان قهوه داغ به هوا، باید بزرگتر از صفر باشد. اما این قانون را میتوان به صورت یک مساوی هم نوشت که میگوید دقیقاً چه مقدار انرژی و با چه احتمالی، از هوا به فنجان منتقل میشود. این نسخه تساوی قانون دوم ترمودینامیک، بسیار عمومیتر است و میتوان آن را در مورد سیستمهای کوانتومی به کار برد.
از طرفی این فرمول قانون دوم ترمودینامیک که اطلاعات زیادی را در خود دارد، احتمال و اندازه افت و خیزهای کار و گرما را به طور چشمگیری محدود میکند و به ما میگوید که افت و خیزهای خاصی که قانون دوم ترمودینامیک را نقض میکنند، فقط به طور نمایی و با احتمال پایین رخ میدهند. این یافتهها در مقیاس نانو و برای تکنولوژیهای کوانتومی بسیار حیاتی هستند.
منابع:
Physical Review X 6.041016
Physical Review X 6.041017
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
Cosmos' Language
بررسی احتمال نقض قانون دوم ترمودینامیک در سیستمهای کوانتومی در پست نقض قانون دوم ترمودینامیک، دانشمندان راهی برای نقض این قانون در مقیاس کوانتومی پیدا کرده بودند. اما موضوع این پست، استخراج یک نسخه بسیار دقیقترِ قانون دوم ترمودینامیک است. در واقع آنها احتمال…
PhysRevX.6.041016.pdf
767.6 KB
Cosmos' Language
بررسی احتمال نقض قانون دوم ترمودینامیک در سیستمهای کوانتومی در پست نقض قانون دوم ترمودینامیک، دانشمندان راهی برای نقض این قانون در مقیاس کوانتومی پیدا کرده بودند. اما موضوع این پست، استخراج یک نسخه بسیار دقیقترِ قانون دوم ترمودینامیک است. در واقع آنها احتمال…
PhysRevX.6.041017.pdf
283.2 KB
اثر زنوی کوانتومی (Quantum zeno effect)
نظریه کوانتوم سرشار از مفاهیم و پیشبینیهای عجیب و غریب است. البته این عجایب تنها برای ما انسانهای ماکروسکوپی، عجیب به نظر میرسند و علت آن این است که مغز ما برای درک جهان ماکروسکوپی و قوانین آن فرگشت یافته و از درک دنیای کوانتومی عاجز است. اما همین مفاهیم به نظر عجیب، در دنیای اتمها به هیچ وجه شگفت انگیز نبوده، بلکه زندگی روزمره آنهاست! یکی از این مفاهیم، اثر زنو است که در سال 1977 در دانشگاه تگزاس مطرح شد. اثر زنو یا پاردوکس تورینگ به این شکل تعریف میشود: «اگر یک ذره ناپایدار را به طور مداوم مشاهده کنید، هیچگاه دچار واپاشی نخواهد شد! یعنی شما با اندازهگیریهای مداوم و مکرر میتوانید از تحول و تغییر سیستم، جلوگیری کرده و آن را در همان حالت ابتدایی نگه دارید!»
فیزیکدانان دانشگاه کرنل آمریکا موفق شدند با طراحی و انجام یک آزمایش، این اثر عجیب و غریب را تأیید کنند. کار آنها درهای تازهای را رو به روش جدید کنترل و دستکاری حالتهای کوانتومی اتمها باز کرد و میتواند منجر به ساخت گونههای تازهای از سنسورها شود. آزمایش مورد نظر در آزمایشگاه فوق سرد “فیزیک مواد در دماهای 0.000000001 بالای صفر کلوین” انجام گردید.
محققان در این آزمایش، گازی شامل یک بیلیون اتم روبیدیوم را وارد یک محفظه خلأ کرده و سرد کردند و سپس این جرم را بین پرتوهای لیزر معلق نمودند. در این حالت، اتمها در یک شبکه منظم درست مثل یک کریستال جامد، مرتب میشوند. اما در چنین دمای پایینی، اتمها میتوانند از یک مکان به مکان دیگر شبکه تونل بزنند. اصل عدم قطعیت مشهور هایزنبرگ میگوید که موقعیت و سرعت یک ذره با یکدیگر مرتبط هستند و از آنجایی که دما معیاری از اندازهگیری حرکت ذره است، در دماهای بسیار کم (تقریباً صفر کلوین) سرعت ذرات فوق العاده اندک بوده و در نتیجه موقعیت ذره به شدت متغیر است. یعنی زمانی که شما یک اتم را در این حالت مشاهده میکنید، میتوانید آن را به طور هم زمان در مکانهای مختلف شبکه ببینید!
محققان ثابت کردهاند که میتوان تونل زنی کوانتومی را صرفاً با مشاهده اتمها سرکوب کرد! این اثر، یعنی همان اثر زنوی کوانتومی به ماهیت شگفت انگیز اندازهگیریهای کوانتومی برای یک سیستم کوانتومی اشاره دارد و بیان میکند که با اندازهگیریهای مکرر میتوان سیستم کوانتومی را در یک حالت خاص فریز کرد!
محققان اتمها را زیر میکروسکوپ و البته با استفاده از تابش آنها با یک لیزر تصویر مشاهده کردند. یک میکروسکوپ نوری نمیتواند اتمهای جدا را ببیند، اما لیزر تصویر باعث میشود اتمها از خود نور تابش کرده و در نتیجه میکروسکوپ جرقههای نوری آنها را ببیند. زمانی که لیزر تصویری خاموش بود یا شدت بسیار کمی داشت، اتمها آزادانه تونل زنی میکردند؛ اما وقتی پرتوی تصویر روشنتر و اندازهگیریها بیشتر شد، تونل زنی به طور چشمگیری کاهش یافت!
حالا دیگر ما این توانایی منحصر به فرد را داریم که دینامیکهای کوانتومی را تنها با مشاهده کردن، کنترل کنیم!
منابع:
Y. S. Patil, S. Chakram, L. M. Aycock, and M. Vengalattore Phys. Rev. A 90, 033422
Y. S. Patil, S. Chakram, and M. Vengalattore Phys. Rev. Lett. 115, 140402
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
نظریه کوانتوم سرشار از مفاهیم و پیشبینیهای عجیب و غریب است. البته این عجایب تنها برای ما انسانهای ماکروسکوپی، عجیب به نظر میرسند و علت آن این است که مغز ما برای درک جهان ماکروسکوپی و قوانین آن فرگشت یافته و از درک دنیای کوانتومی عاجز است. اما همین مفاهیم به نظر عجیب، در دنیای اتمها به هیچ وجه شگفت انگیز نبوده، بلکه زندگی روزمره آنهاست! یکی از این مفاهیم، اثر زنو است که در سال 1977 در دانشگاه تگزاس مطرح شد. اثر زنو یا پاردوکس تورینگ به این شکل تعریف میشود: «اگر یک ذره ناپایدار را به طور مداوم مشاهده کنید، هیچگاه دچار واپاشی نخواهد شد! یعنی شما با اندازهگیریهای مداوم و مکرر میتوانید از تحول و تغییر سیستم، جلوگیری کرده و آن را در همان حالت ابتدایی نگه دارید!»
فیزیکدانان دانشگاه کرنل آمریکا موفق شدند با طراحی و انجام یک آزمایش، این اثر عجیب و غریب را تأیید کنند. کار آنها درهای تازهای را رو به روش جدید کنترل و دستکاری حالتهای کوانتومی اتمها باز کرد و میتواند منجر به ساخت گونههای تازهای از سنسورها شود. آزمایش مورد نظر در آزمایشگاه فوق سرد “فیزیک مواد در دماهای 0.000000001 بالای صفر کلوین” انجام گردید.
محققان در این آزمایش، گازی شامل یک بیلیون اتم روبیدیوم را وارد یک محفظه خلأ کرده و سرد کردند و سپس این جرم را بین پرتوهای لیزر معلق نمودند. در این حالت، اتمها در یک شبکه منظم درست مثل یک کریستال جامد، مرتب میشوند. اما در چنین دمای پایینی، اتمها میتوانند از یک مکان به مکان دیگر شبکه تونل بزنند. اصل عدم قطعیت مشهور هایزنبرگ میگوید که موقعیت و سرعت یک ذره با یکدیگر مرتبط هستند و از آنجایی که دما معیاری از اندازهگیری حرکت ذره است، در دماهای بسیار کم (تقریباً صفر کلوین) سرعت ذرات فوق العاده اندک بوده و در نتیجه موقعیت ذره به شدت متغیر است. یعنی زمانی که شما یک اتم را در این حالت مشاهده میکنید، میتوانید آن را به طور هم زمان در مکانهای مختلف شبکه ببینید!
محققان ثابت کردهاند که میتوان تونل زنی کوانتومی را صرفاً با مشاهده اتمها سرکوب کرد! این اثر، یعنی همان اثر زنوی کوانتومی به ماهیت شگفت انگیز اندازهگیریهای کوانتومی برای یک سیستم کوانتومی اشاره دارد و بیان میکند که با اندازهگیریهای مکرر میتوان سیستم کوانتومی را در یک حالت خاص فریز کرد!
محققان اتمها را زیر میکروسکوپ و البته با استفاده از تابش آنها با یک لیزر تصویر مشاهده کردند. یک میکروسکوپ نوری نمیتواند اتمهای جدا را ببیند، اما لیزر تصویر باعث میشود اتمها از خود نور تابش کرده و در نتیجه میکروسکوپ جرقههای نوری آنها را ببیند. زمانی که لیزر تصویری خاموش بود یا شدت بسیار کمی داشت، اتمها آزادانه تونل زنی میکردند؛ اما وقتی پرتوی تصویر روشنتر و اندازهگیریها بیشتر شد، تونل زنی به طور چشمگیری کاهش یافت!
حالا دیگر ما این توانایی منحصر به فرد را داریم که دینامیکهای کوانتومی را تنها با مشاهده کردن، کنترل کنیم!
منابع:
Y. S. Patil, S. Chakram, L. M. Aycock, and M. Vengalattore Phys. Rev. A 90, 033422
Y. S. Patil, S. Chakram, and M. Vengalattore Phys. Rev. Lett. 115, 140402
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
مشاهده بیشتر، خطای کمتر!
کامپیوترهای کوانتومی با بیتهای کوانتومی کار میکنند که بر خلاف بیتهای کلاسیکی میتوانند به طور هم زمان، هر دو مقدار صفر و یک را داشته باشند. طبیعتاً چنین سیستمهای کوانتومی، بسیار حساس هستند. در واقع آنها به طور پیوسته و به صورت کنترل نشدهای با محیط برهمکنش میکنند و نتیجه آن است که خطا در محاسبات پدید میآید. این در حالیست که تشخیص و تعیین خطای کوانتومی برای کار کردن یک کامپیوتر کوانتومی، ضروری است. دانشمندان تلاش کردند تا چنین خطاهایی را به کمک اثر زنوی کوانتومی کاهش دهند.
حدود 2400 سال پیش، فیلسوفی یونانی به نام زنو در تأیید مکتب پارمندیس (فیلسوف پیشاسقراطی) تعدادی پارادوکس را مطرح کرد. او بر اساس این پارادوکسها، ادعا میکرد که تغییر و در نهایت حرکت، چیزی جز یک خطای حسی نیست! سه پارادوکس مشهور او در مورد حرکت، عبارتند از آشیل و لاک پشت، تقسیم کننده و تیر (پیکان).
زنو پارادوکس تیر را چنین بیان میکند: «تصور کنید تیری را به سمت نشانهای پرتاب کنیم؛ اگر زمانی که تیر در هوا در حال پرواز است به آن نگاه کنیم، آن را در یک مکان ثابت خواهیم دید. اگر چند لحظه بعد و دقیقاً قبل از برخورد به هدف باز هم به تیر نگاه کنیم، باز هم آن را به صورت ساکن خواهیم دید. بنابراین اگر پس از رها کردن تیر تا زمان برخورد آن به هدف، مانند شکل زیر، هر لحظه به تیر نگاه کنیم، آن را ثابت خواهیم دید؛ در نتیجه تیر همیشه ثابت است و حرکتی نمیکند (تصویر شماره 1).
در مکانیک نیوتنی، پارادوکس تیر با محاسبات دیفرانسیل حل شده، اما در مکانیک کوانتومی مشاهده سیستم، واقعاً آن را تغییر میدهد که به آن اثر زنو کوانتومی گفته میشود. اگر یک مشاهدهپذیر یک حالت کوانتومی اندازهگیری شود، سیستم یک ویژه حالت آن مشاهدهپذیر را میگیرد (تصویر میشود). مثلاً اگر یک کیوبیت در یک برهمنهی از دو حالت صفر و یک مشاهده شود، کیوبیت یکی از دو مقدار صفر یا یک را خواهد گرفت و اگر باز هم به طور مکرر آن را مشاهده کنیم، حالت کوانتومی آن تغییر نخواهد کرد؛ به عبارتی کیوبیت در همان حالت فریز میشود!
محققان کوانتومی به طور تجربی، زیرفضاهای زنو کوانتومی را با استفاده از سه اسپین هستهای در الماس تولید کردند. محققان نشان دادند که میتوان اطلاعات کوانتومی را با افزایش تعداد اندازهگیریها محافظت کرد. این پژوهش بررسی نقش متقابل مشاهدات (اندازهگیریهای) مکرر و محیطهای متنوع نوفه را امکان پذیر میکند.
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
کامپیوترهای کوانتومی با بیتهای کوانتومی کار میکنند که بر خلاف بیتهای کلاسیکی میتوانند به طور هم زمان، هر دو مقدار صفر و یک را داشته باشند. طبیعتاً چنین سیستمهای کوانتومی، بسیار حساس هستند. در واقع آنها به طور پیوسته و به صورت کنترل نشدهای با محیط برهمکنش میکنند و نتیجه آن است که خطا در محاسبات پدید میآید. این در حالیست که تشخیص و تعیین خطای کوانتومی برای کار کردن یک کامپیوتر کوانتومی، ضروری است. دانشمندان تلاش کردند تا چنین خطاهایی را به کمک اثر زنوی کوانتومی کاهش دهند.
حدود 2400 سال پیش، فیلسوفی یونانی به نام زنو در تأیید مکتب پارمندیس (فیلسوف پیشاسقراطی) تعدادی پارادوکس را مطرح کرد. او بر اساس این پارادوکسها، ادعا میکرد که تغییر و در نهایت حرکت، چیزی جز یک خطای حسی نیست! سه پارادوکس مشهور او در مورد حرکت، عبارتند از آشیل و لاک پشت، تقسیم کننده و تیر (پیکان).
زنو پارادوکس تیر را چنین بیان میکند: «تصور کنید تیری را به سمت نشانهای پرتاب کنیم؛ اگر زمانی که تیر در هوا در حال پرواز است به آن نگاه کنیم، آن را در یک مکان ثابت خواهیم دید. اگر چند لحظه بعد و دقیقاً قبل از برخورد به هدف باز هم به تیر نگاه کنیم، باز هم آن را به صورت ساکن خواهیم دید. بنابراین اگر پس از رها کردن تیر تا زمان برخورد آن به هدف، مانند شکل زیر، هر لحظه به تیر نگاه کنیم، آن را ثابت خواهیم دید؛ در نتیجه تیر همیشه ثابت است و حرکتی نمیکند (تصویر شماره 1).
در مکانیک نیوتنی، پارادوکس تیر با محاسبات دیفرانسیل حل شده، اما در مکانیک کوانتومی مشاهده سیستم، واقعاً آن را تغییر میدهد که به آن اثر زنو کوانتومی گفته میشود. اگر یک مشاهدهپذیر یک حالت کوانتومی اندازهگیری شود، سیستم یک ویژه حالت آن مشاهدهپذیر را میگیرد (تصویر میشود). مثلاً اگر یک کیوبیت در یک برهمنهی از دو حالت صفر و یک مشاهده شود، کیوبیت یکی از دو مقدار صفر یا یک را خواهد گرفت و اگر باز هم به طور مکرر آن را مشاهده کنیم، حالت کوانتومی آن تغییر نخواهد کرد؛ به عبارتی کیوبیت در همان حالت فریز میشود!
محققان کوانتومی به طور تجربی، زیرفضاهای زنو کوانتومی را با استفاده از سه اسپین هستهای در الماس تولید کردند. محققان نشان دادند که میتوان اطلاعات کوانتومی را با افزایش تعداد اندازهگیریها محافظت کرد. این پژوهش بررسی نقش متقابل مشاهدات (اندازهگیریهای) مکرر و محیطهای متنوع نوفه را امکان پذیر میکند.
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
تصویر شماره 1
در واقع منظور زنو این بود که در هر لحظه از مسیر تیر از آن اسکرین شات بگیرید که در نتیجه حرکتی مشاهده نخواهید کرد.
@Cosmos_language
در واقع منظور زنو این بود که در هر لحظه از مسیر تیر از آن اسکرین شات بگیرید که در نتیجه حرکتی مشاهده نخواهید کرد.
@Cosmos_language
Cosmos' Language
مشاهده بیشتر، خطای کمتر! کامپیوترهای کوانتومی با بیتهای کوانتومی کار میکنند که بر خلاف بیتهای کلاسیکی میتوانند به طور هم زمان، هر دو مقدار صفر و یک را داشته باشند. طبیعتاً چنین سیستمهای کوانتومی، بسیار حساس هستند. در واقع آنها به طور پیوسته و به صورت…
Experimental_creation_of_quantum.pdf
533.9 KB
Audio
#فرازدانش ۴
🔭صرف دیدن چیزی ، دلیلی بر واقعی بودن نیست.
➖توهم دسته جمعی.اراده ای برای باور کردن
📖منبع:چگونه در باره چیزهای عجیب بیندیشیم.
تئودور شیک لوئیس ون ۵۸-۶۰
قسمت قبل:
t.me/FarazTed/4787
🔭صرف دیدن چیزی ، دلیلی بر واقعی بودن نیست.
➖توهم دسته جمعی.اراده ای برای باور کردن
📖منبع:چگونه در باره چیزهای عجیب بیندیشیم.
تئودور شیک لوئیس ون ۵۸-۶۰
قسمت قبل:
t.me/FarazTed/4787
اثر زنو کوانتومی میتواند جان گربه شرودینگر را نجات دهد!
اگرچه مفهوم اندازهگیری در مکانیک کلاسیکی معنای واضح و بدون ابهامی دارد، اما در مکانیک کوانتومی بسیار عجیب و غریب و مبهم است. اندازهگیری در مکانیگ کوانتومی، برخلاف مکانیک کلاسیک یک عمل منفعلانه نیست، بلکه عملی است که کاملاً بر سیستم تأثیر میگذارد. اثرات جالبی ناشی از عمل اندازهگیری به وجود میآیند که به اثر زنو کوانتومی شهرت یافتهاند.
گربه شرودینگر، یک گربه همراه با اتمهای رادیواکتیوی که دچار واپاشی میشوند است که در جعبهای گرفتار شده. اگر واپاشی رخ دهد، گربه میمیرد. به کمک آمار و احتمالات میتوانیم نیمه عمر اتمهای پرتوزا را محاسبه کنیم. اگر در زمانی که احتمال واپاشی %50 است در جعبه را باز کنیم، گربه زنده است یا مرده؟ قبل از باز کردن جعبه، گربه هم مرده است و هم زنده (برهمنهی حالتها)، اما با باز کردن و نگاه کردن به درون جعبه، تابع موج دچار فرو ریزش میشود. در واقع نگاه کردن، برهمنهی حالتها را به یک حالت مشخص یا خالص تبدیل میکند و باعث میشود ما گربه را در یکی از حالتهای زنده یا مرده ببینیم. تفسیر کپنهاگی مکانیک کوانتومی میگوید یک شئ کوانتومی مانند یک اتم، تا زمانی که مشاهده نشود ویژگیهای تعریفشدهای ندارد.
توضیحی که در بالا در مورد این آزمایش، مطرح شد، چیزی است که تمام مردم شنیدهاند؛ اما داستان به این سادگیها نیست: در سال 1974، محققان پرسیدند آیا اگر هزاران بار در ثانیه، جعبه را مورد مشاهده قرار دهیم، میتوانیم این انتخاب شوم را به تأخیر بیندازیم یا آن را تسریع کنیم؟ تأخیر، به عنوان اثر زنو کوانتومی، و تسریع به عنوان اثر ضد زنو کوانتومی شناخته میشود. اگر شما چشم از سیستم برندارید، اتمها هیچگاه دچار واپاشی نخواهند شد! اثر زنو کوانتومی در سال 1989 در آزمایشی که توسط موسسه استانداردهای آمریکا انجام شد، به اثبات رسید و از یک فرضیه به یک واقعیت انکارناپذیر تبدیل شد. دقیقاً یک دهه بعد، اثر ضد زنوی کوانتومی پیشنهاد شد: اندازهگیری مکرر یک اتم رادیواکتیو میتواند واپاشی آن را تسریع کند، بسته به اینکه چگونه این اندازهگیری انجام شود. حالا یک پرسش مهم و اساسی پیش میآید: اندازهگیری به چه معناست؟
برای اندازهگیری چیزی مانند یک اتم رادیواکتیو، تداخلی با سیستم رخ داده و در نتیجه اطلاعاتی در مورد آن بدست میآید؛ یعنی فرو ریزش تابع موج و از بین رفتن برهمنهی حالتهای کوانتومی رخ میدهد. اما آیا این فرو ریزش، دلیل اثر زنوی کوانتومی است؟ آیا تأخیر یا تسریع واپاشی یک اتم رادیواکتیو بدون فرو ریزش تابع موج هم میتواند رخ دهد؟ دانشمندان دانشگاه واشنگتن در پژوهشی، پاسخ این سؤالات را یافتند.
آنها برای اینکه بفهمند در پشت صحنه اثرات زنو کوانتومی انتقال اطلاعات وجود دارد یا نه، از سیستمی (یک کیوبیت یا اتم مصنوعی) که درست مانند یک اتم با چند حالت انرژی رفتار میکند استفاده کردند. به کمک این اتم مصنوعی میتوان فهمید که حالتهای انرژی یا حالتهای الکترومغناطیسی دلیل اثرات زنو کوانتومی هستند یا خیر. از آنجایی که سرعت واپاشی اتمی به چگالی حالتهای ممکن انرژی یا حالتهای الکترومغناطیسی بستگی دارد، تعداد حالتهای بیشتر، یعنی تعداد راههای بیشتر برای واپاشی و در نتیجه واپاشی سریعتر. در واقع دانشمندان تعداد حالتهای اتم مصنوعی خود را قبل از اندازهگیری استاندارد دستکاری کرده و در نتیجه سرعت واپاشی را کم یا زیاد کردند.
در واقع، دانشمندان برای اینکه بفهمند “مشاهده” یا “تداخل”، عامل پیدایش اثرات زنو کوانتومی است، یک “شبه اندازهگیری” انجام دادند تا بدون فرو ریزش تابع موج، در سیستم دخالت کنند. آنها دریافتند که شبه اندازهگیری هم درست مانند اندازهگیری باعث رخ دادن اثرات زنو کوانتومی میشود، در نتیجه، این اختلال عمل اندازهگرفتن است که باعث اثرات زنو میشود و نه خود اندازهگیری. دانستن این نکته میتواند منجر به پیدایش راههای جدیدی برای کنترل سیستمهای کوانتومی با استفاده از دینامیک زنو شود.
حال اگر ما گربه را چک کنیم، ساعت واپاشی اتم را از نو راه انداختهایم و در نتیجه باعث میشویم گربه زنده بماند! بنابراین از آنجایی که اثرات زنو کوانتومی به دلیل اختلال و نه انتقال اطلاعات رخ میدهند، برای رخ دادن آنها لازم نیست در جعبه را باز کرده و گربه را ببینید، کافیست آن را تکان دهید!
منابع:
phys.org
Phys. Rev. Lett. 118, 240401
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
اگرچه مفهوم اندازهگیری در مکانیک کلاسیکی معنای واضح و بدون ابهامی دارد، اما در مکانیک کوانتومی بسیار عجیب و غریب و مبهم است. اندازهگیری در مکانیگ کوانتومی، برخلاف مکانیک کلاسیک یک عمل منفعلانه نیست، بلکه عملی است که کاملاً بر سیستم تأثیر میگذارد. اثرات جالبی ناشی از عمل اندازهگیری به وجود میآیند که به اثر زنو کوانتومی شهرت یافتهاند.
گربه شرودینگر، یک گربه همراه با اتمهای رادیواکتیوی که دچار واپاشی میشوند است که در جعبهای گرفتار شده. اگر واپاشی رخ دهد، گربه میمیرد. به کمک آمار و احتمالات میتوانیم نیمه عمر اتمهای پرتوزا را محاسبه کنیم. اگر در زمانی که احتمال واپاشی %50 است در جعبه را باز کنیم، گربه زنده است یا مرده؟ قبل از باز کردن جعبه، گربه هم مرده است و هم زنده (برهمنهی حالتها)، اما با باز کردن و نگاه کردن به درون جعبه، تابع موج دچار فرو ریزش میشود. در واقع نگاه کردن، برهمنهی حالتها را به یک حالت مشخص یا خالص تبدیل میکند و باعث میشود ما گربه را در یکی از حالتهای زنده یا مرده ببینیم. تفسیر کپنهاگی مکانیک کوانتومی میگوید یک شئ کوانتومی مانند یک اتم، تا زمانی که مشاهده نشود ویژگیهای تعریفشدهای ندارد.
توضیحی که در بالا در مورد این آزمایش، مطرح شد، چیزی است که تمام مردم شنیدهاند؛ اما داستان به این سادگیها نیست: در سال 1974، محققان پرسیدند آیا اگر هزاران بار در ثانیه، جعبه را مورد مشاهده قرار دهیم، میتوانیم این انتخاب شوم را به تأخیر بیندازیم یا آن را تسریع کنیم؟ تأخیر، به عنوان اثر زنو کوانتومی، و تسریع به عنوان اثر ضد زنو کوانتومی شناخته میشود. اگر شما چشم از سیستم برندارید، اتمها هیچگاه دچار واپاشی نخواهند شد! اثر زنو کوانتومی در سال 1989 در آزمایشی که توسط موسسه استانداردهای آمریکا انجام شد، به اثبات رسید و از یک فرضیه به یک واقعیت انکارناپذیر تبدیل شد. دقیقاً یک دهه بعد، اثر ضد زنوی کوانتومی پیشنهاد شد: اندازهگیری مکرر یک اتم رادیواکتیو میتواند واپاشی آن را تسریع کند، بسته به اینکه چگونه این اندازهگیری انجام شود. حالا یک پرسش مهم و اساسی پیش میآید: اندازهگیری به چه معناست؟
برای اندازهگیری چیزی مانند یک اتم رادیواکتیو، تداخلی با سیستم رخ داده و در نتیجه اطلاعاتی در مورد آن بدست میآید؛ یعنی فرو ریزش تابع موج و از بین رفتن برهمنهی حالتهای کوانتومی رخ میدهد. اما آیا این فرو ریزش، دلیل اثر زنوی کوانتومی است؟ آیا تأخیر یا تسریع واپاشی یک اتم رادیواکتیو بدون فرو ریزش تابع موج هم میتواند رخ دهد؟ دانشمندان دانشگاه واشنگتن در پژوهشی، پاسخ این سؤالات را یافتند.
آنها برای اینکه بفهمند در پشت صحنه اثرات زنو کوانتومی انتقال اطلاعات وجود دارد یا نه، از سیستمی (یک کیوبیت یا اتم مصنوعی) که درست مانند یک اتم با چند حالت انرژی رفتار میکند استفاده کردند. به کمک این اتم مصنوعی میتوان فهمید که حالتهای انرژی یا حالتهای الکترومغناطیسی دلیل اثرات زنو کوانتومی هستند یا خیر. از آنجایی که سرعت واپاشی اتمی به چگالی حالتهای ممکن انرژی یا حالتهای الکترومغناطیسی بستگی دارد، تعداد حالتهای بیشتر، یعنی تعداد راههای بیشتر برای واپاشی و در نتیجه واپاشی سریعتر. در واقع دانشمندان تعداد حالتهای اتم مصنوعی خود را قبل از اندازهگیری استاندارد دستکاری کرده و در نتیجه سرعت واپاشی را کم یا زیاد کردند.
در واقع، دانشمندان برای اینکه بفهمند “مشاهده” یا “تداخل”، عامل پیدایش اثرات زنو کوانتومی است، یک “شبه اندازهگیری” انجام دادند تا بدون فرو ریزش تابع موج، در سیستم دخالت کنند. آنها دریافتند که شبه اندازهگیری هم درست مانند اندازهگیری باعث رخ دادن اثرات زنو کوانتومی میشود، در نتیجه، این اختلال عمل اندازهگرفتن است که باعث اثرات زنو میشود و نه خود اندازهگیری. دانستن این نکته میتواند منجر به پیدایش راههای جدیدی برای کنترل سیستمهای کوانتومی با استفاده از دینامیک زنو شود.
حال اگر ما گربه را چک کنیم، ساعت واپاشی اتم را از نو راه انداختهایم و در نتیجه باعث میشویم گربه زنده بماند! بنابراین از آنجایی که اثرات زنو کوانتومی به دلیل اختلال و نه انتقال اطلاعات رخ میدهند، برای رخ دادن آنها لازم نیست در جعبه را باز کرده و گربه را ببینید، کافیست آن را تکان دهید!
منابع:
phys.org
Phys. Rev. Lett. 118, 240401
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
This media is not supported in your browser
VIEW IN TELEGRAM
Mohsen Raeisi:
📺 #کلیپ
📽 #مستند_علمی
🔅 #فیزیک
🔅 #کهکشانها
🔅 #کوانتوم
🔅 #نجوم
🔅 #شیمی
⚜ از ریزترین ذره اتم تا عظیم ترین کهکشانها
💡#cosmos_language
📺 #کلیپ
📽 #مستند_علمی
🔅 #فیزیک
🔅 #کهکشانها
🔅 #کوانتوم
🔅 #نجوم
🔅 #شیمی
⚜ از ریزترین ذره اتم تا عظیم ترین کهکشانها
💡#cosmos_language
شیطان ماکسول در قلمرو کوانتوم
یکی از چالشهای امروز عرصه فناوری، به ویژه دستگاههای در مقیاس نانو، بهرهبرداری کامل از تفاوت دمایی میان دو منبع است. گرچه این امر برخلاف قانون دوم ترمودینامیک است، اما دانشمندان در تلاشند از طریق افزایش انتروپی و بهرهبرداری از اطلاعات، به این هدف دست یابند. ایده آنها استفاده از آزمایش فکری شیطان ماکسول است. در سالهای اخیر، مطالعات بسیاری در زمینه آزمایش شیطان ماکسول انجام و اثر شیطان ماکسول در در قلمروی اثر زنو کوانتومی بررسی شده.
در آزمایش اصلی شیطان ماکسول، یک شیطان دائماً سیستمی متشکل از دو مخزن گرم و سرد را اندازهگیری کرده و با این کار، یک تفاوت دمایی بین دو منبع ایجاد میکند که میتوان از آن برای استخراج کار استفاده کرد. از آنجا که اندازهگیریهای شیطان ماکسول انرژی مصرف نمیکند، به نظر میرسد که این شیطان قانون دوم ترمودینامیک را نقض میکند. البته این تناقض را با این فرض میتوان حل کرد که شیطان، از اطلاعات برای انجام وظایف خود استفاده میکند.
از طرفی اگر یک سیستم کوانتومی به طور پیوسته اندازهگیری شود، در حالت خود ثابت یا منجمد میشود؛ یعنی بدون تغییر میماند، که به “Quantum zeno effect” (اثر زنو کوانتومی) معروف است. اکنون این سوال پیش میآید که اگر آزمایش شیطان ماکسول را در قلمروی اثر زنو کوانتومی انجام دهیم، چه اتفاقی خواهد افتاد؟ آیا اندازهگیریهای پیدرپی شیطان ماکسول باعث میشود سیستم، منجمد شده و نتوان از آن کار استخراج کرد یا شیطان ماکسول همچنان قادر خواهد بود بر روی دینامیک سیستم اثر بگذارد؟
دو فیزیکدان دانشگاه صنعتی برلین، آزمایش شیطان ماکسول را در یک ترانزیستور تک الکترونی به طور نظری، پیاده کردهاند. هدف آنها بررسی عملکرد شیطان ماکسول در قلمروی اثر زنو کوانتومی بود.
در مدل آنها، ترانزیستور تک الکترون شامل دو مخزن الکترون است که توسط یک “Quantum dot” (نقطهی کوانتومی)، جفت شده و یک شیطان به طور مداوم آنها را اندازهگیری میکند. محققان نشان دادند طبق پیشبینی اثر زنو کوانتومی، اندازهگیریهای پیدرپی شیطان ماکسول از عبور جریان بین دو مخزن جلوگیری میکند؛ در نتیجه نمیتوان از این سیستم کار استخراج کرد. دانشمندان همچنین بررسی کردهاند که اگر اندازهگیریهای شیطان ماکسول کاملاً پیوسته نباشد، چه اتفاقی رخ میدهد. آنها متوجه شدند که یک “نرخ بهینه اندازهگیری” وجود دارد که باعث منجمد شدن سیستم نمیشود، اما اگر تفاوتی شیمیایی بین دو مخزن ایجاد شود، میتوان انتظار استخراج کار از سیستم را داشت.
محققان میگویند:
«کلیدیترین مزیت یافتههای ما این است که برای دستیابی به عملکرد بهینه سیستم، باید دینامیک گذرای سیستمهای ترمودینامیکی را در بازه زمانی کوچک بررسی کنیم. این نتیجه میتواند برای توسعه و بهبود دستگاههای مقیاس نانو مهم باشد.»
فیزیکدانان معتقدند این قلمروی واسطه، میان ناحیه کوانتومی و ناحیه کلاسیک قرار دارد. نکته جالب در مورد این قلمروی حد واسط، این است که انرژی سیستم با توجه به اندازهگیریهای شیطان ماکسول، به گونهای کاهش مییابد که انرژی خارجی برای انجام کار شیطان ماکسول نیاز نباشد. با پیشرفت در این زمینه، استخراج کار از اختلاف شیمیایی ممکن خواهد بود؛ مثلاً میتوان یک باتری را شارژ کرد. دانشمندان قصد دارند این امکان را در آینده تحقق ببخشند.
آنها میگویند:
«در تحقیقات آینده تلاش میکنیم کاربردهای بالقوه را بررسی کنیم. مثلاً فرآیندهای بازخوردی، در بسیاری از فرایندهای زیستی بسیار مهم هستند. امیدواریم که فرایندهای انتقال کوانتومی را از منظر بازخورد تجزیه تحلیل کنیم. علاوه بر این، ما به کنترل بازخوردی ساختارهای نواری توپولوژیکی علاقه داریم. به دلیل اینکه اثرات توپولوژیکی به شدت به دینامیک همدوس وابسته هستند، به نظر میرسد اندازهگیریها، مانعی برای کنترل بازخوردی باشند. به هر حال، برای یک اندازهگیری ضعیف که تنها حالتهای کوانتومی همدوس را به صورت جزئی تخریب میکند، شاید دستکاریهای بازخوردی منطقی باشند.»
منابع:
Phys.org
G Engelhardt and G Schaller 2018 New J. Phys. 20 023011
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
یکی از چالشهای امروز عرصه فناوری، به ویژه دستگاههای در مقیاس نانو، بهرهبرداری کامل از تفاوت دمایی میان دو منبع است. گرچه این امر برخلاف قانون دوم ترمودینامیک است، اما دانشمندان در تلاشند از طریق افزایش انتروپی و بهرهبرداری از اطلاعات، به این هدف دست یابند. ایده آنها استفاده از آزمایش فکری شیطان ماکسول است. در سالهای اخیر، مطالعات بسیاری در زمینه آزمایش شیطان ماکسول انجام و اثر شیطان ماکسول در در قلمروی اثر زنو کوانتومی بررسی شده.
در آزمایش اصلی شیطان ماکسول، یک شیطان دائماً سیستمی متشکل از دو مخزن گرم و سرد را اندازهگیری کرده و با این کار، یک تفاوت دمایی بین دو منبع ایجاد میکند که میتوان از آن برای استخراج کار استفاده کرد. از آنجا که اندازهگیریهای شیطان ماکسول انرژی مصرف نمیکند، به نظر میرسد که این شیطان قانون دوم ترمودینامیک را نقض میکند. البته این تناقض را با این فرض میتوان حل کرد که شیطان، از اطلاعات برای انجام وظایف خود استفاده میکند.
از طرفی اگر یک سیستم کوانتومی به طور پیوسته اندازهگیری شود، در حالت خود ثابت یا منجمد میشود؛ یعنی بدون تغییر میماند، که به “Quantum zeno effect” (اثر زنو کوانتومی) معروف است. اکنون این سوال پیش میآید که اگر آزمایش شیطان ماکسول را در قلمروی اثر زنو کوانتومی انجام دهیم، چه اتفاقی خواهد افتاد؟ آیا اندازهگیریهای پیدرپی شیطان ماکسول باعث میشود سیستم، منجمد شده و نتوان از آن کار استخراج کرد یا شیطان ماکسول همچنان قادر خواهد بود بر روی دینامیک سیستم اثر بگذارد؟
دو فیزیکدان دانشگاه صنعتی برلین، آزمایش شیطان ماکسول را در یک ترانزیستور تک الکترونی به طور نظری، پیاده کردهاند. هدف آنها بررسی عملکرد شیطان ماکسول در قلمروی اثر زنو کوانتومی بود.
در مدل آنها، ترانزیستور تک الکترون شامل دو مخزن الکترون است که توسط یک “Quantum dot” (نقطهی کوانتومی)، جفت شده و یک شیطان به طور مداوم آنها را اندازهگیری میکند. محققان نشان دادند طبق پیشبینی اثر زنو کوانتومی، اندازهگیریهای پیدرپی شیطان ماکسول از عبور جریان بین دو مخزن جلوگیری میکند؛ در نتیجه نمیتوان از این سیستم کار استخراج کرد. دانشمندان همچنین بررسی کردهاند که اگر اندازهگیریهای شیطان ماکسول کاملاً پیوسته نباشد، چه اتفاقی رخ میدهد. آنها متوجه شدند که یک “نرخ بهینه اندازهگیری” وجود دارد که باعث منجمد شدن سیستم نمیشود، اما اگر تفاوتی شیمیایی بین دو مخزن ایجاد شود، میتوان انتظار استخراج کار از سیستم را داشت.
محققان میگویند:
«کلیدیترین مزیت یافتههای ما این است که برای دستیابی به عملکرد بهینه سیستم، باید دینامیک گذرای سیستمهای ترمودینامیکی را در بازه زمانی کوچک بررسی کنیم. این نتیجه میتواند برای توسعه و بهبود دستگاههای مقیاس نانو مهم باشد.»
فیزیکدانان معتقدند این قلمروی واسطه، میان ناحیه کوانتومی و ناحیه کلاسیک قرار دارد. نکته جالب در مورد این قلمروی حد واسط، این است که انرژی سیستم با توجه به اندازهگیریهای شیطان ماکسول، به گونهای کاهش مییابد که انرژی خارجی برای انجام کار شیطان ماکسول نیاز نباشد. با پیشرفت در این زمینه، استخراج کار از اختلاف شیمیایی ممکن خواهد بود؛ مثلاً میتوان یک باتری را شارژ کرد. دانشمندان قصد دارند این امکان را در آینده تحقق ببخشند.
آنها میگویند:
«در تحقیقات آینده تلاش میکنیم کاربردهای بالقوه را بررسی کنیم. مثلاً فرآیندهای بازخوردی، در بسیاری از فرایندهای زیستی بسیار مهم هستند. امیدواریم که فرایندهای انتقال کوانتومی را از منظر بازخورد تجزیه تحلیل کنیم. علاوه بر این، ما به کنترل بازخوردی ساختارهای نواری توپولوژیکی علاقه داریم. به دلیل اینکه اثرات توپولوژیکی به شدت به دینامیک همدوس وابسته هستند، به نظر میرسد اندازهگیریها، مانعی برای کنترل بازخوردی باشند. به هر حال، برای یک اندازهگیری ضعیف که تنها حالتهای کوانتومی همدوس را به صورت جزئی تخریب میکند، شاید دستکاریهای بازخوردی منطقی باشند.»
منابع:
Phys.org
G Engelhardt and G Schaller 2018 New J. Phys. 20 023011
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
Cosmos' Language
شیطان ماکسول در قلمرو کوانتوم یکی از چالشهای امروز عرصه فناوری، به ویژه دستگاههای در مقیاس نانو، بهرهبرداری کامل از تفاوت دمایی میان دو منبع است. گرچه این امر برخلاف قانون دوم ترمودینامیک است، اما دانشمندان در تلاشند از طریق افزایش انتروپی و بهرهبرداری…
Maxwell’s demon in the quantum-Zeno regime and beyond.pdf
1.3 MB