چالشهای فنی و علمی – نبرد با شبح ناهمدوسی
وقتی در رســانهها از »برتری کوانتومی« یا ساخت تراشههایی با هزاران کیوبیت میشــنویم، این تصور ایجاد میشــود که مسیر ساخت یک رایانه کوانتومی قدرتمند، تنها یک مسابقه مهندسی برای افزایش تعداد قطعات اســت. اما واقعیت در آزمایشــگاهها بسیار پیچیدهتر است. بزرگترین دشمن رایانش کوانتومی، تعداد کم کیوبیتها نیســت، بلکه پدیدهای گریزپا و همهجاحاضر به نام »ناهمدوسی« )Decoherence )است.
حالتهای کوانتومی مانند برهمنهی و درهمتنیدگی، فوقالعاده شــکنندهاند. میتوان آنها را به یک حباب صابون زیبا تشــبیه کرد که با کوچکترین تماس یا حتی وزش نســیمی از محیط اطراف، فوری میترکد و از بیــن میرود. در دنیای کوانتومی، این »نســیم« میتواند هر چیزی باشد: یک فوتون سرگردان، یک لرزش حرارتی جزیی، یا یک میدان مغناطیسی ناخواسته. این تعامالت محیطی، اطالعات کوانتومی را از بین برده و محاسبه را با خطا مواجه میکنند. برای غلبه بر این چالش، دانشمندان در چندین جبهه میجنگند. اولین جبهه، »ایزولهسازی« اســت. کیوبیتهای ابررسانایی که غولهایــی چون گوگل و آیبیام از آن اســتفاده میکنند، باید در یخچالهای غولپیکری به نام رقیقســاز، در دماهایی سردتر از فضای میانستارهای )نزدیک به صفر مطلق( نگهداری شوند تا لرزشهای حرارتی اتمها به حداقل برسد )CSIS, 2024). اما این خنکســازی، خود یک چالش مهندسی عظیم و پرهزینه است.
رویکردهــای دیگر مانند »یونهای به دام افتــاده« یا »اتمهای خنثی«، کیوبیتها را در خأل شــدید و با استفاده از لیزرها معلق نگه میدارند. در یک پیشــرفت چشــمگیر، محققــان در مرکز MCQST موفق شدند آرایهای از ۱۲۰۰ اتم خنثی را با استفاده از یــک منطقهی »بارگذاری مجدد«، برای بیش از یک ســاعت پایــدار نگه دارند. در این روش، هــرگاه اتمی از تله لیزری خود فرار میکرد، یک اتم جدید فوری جایگزین آن میشد که گامی حیاتی بهسوی ساخت سیستمهای مقیاسپذیر است )Zeiher al et,. 2024). جبهــه دوم، »تصحیــح خطــا« )Correction Error )اســت. ازآنجاییکه جلوگیری کامل از خطا غیرممکن است، ایده اصلی این است که اطالعات یک کیوبیت »منطقی« و ایدهآل را بین تعداد زیادی کیوبیت »فیزیکی« و خطاپذیر توزیع کنیم. این کار شبیه به این است که برای ارسال یک پیام مهم، بهجای یک نفر، از صد نفر بخواهیم آن را فریاد بزنند؛ حتی اگر چند نفر اشتباه کنند، پیام اصلی بهدرستی شنیده میشود. اما هزینه این کار بسیار باالست. تخمین زده میشــود که برای ساخت تنها یک کیوبیت منطقی پایدار، ممکن اســت به هزاران کیوبیت فیزیکی نیاز باشد )CSIS, 2024(. به همین دلیل است که با وجود ساخت تراشههایی با بیش از هزار کیوبیت فیزیکی، ما هنوز تا داشتن رایانه با چند ده کیوبیت منطقی فاصله داریم.
در نهایت، بهبــود طراحی خود کیوبیتها نیز در جریان اســت. ساعت اتمی فوقدقیق NIST که با بهینهسازی تله یونی و کاهش نویز لیزرها به پایداری بیســابقهای دســت یافت، نشان میدهد که پیشرفت در مهندسی کنترل سیستمهای کوانتومی میتواند مستقیما به ساخت کیوبیتهای بهتر و حسگرهای دقیقتر منجر شــود )NIST, 2025). این نبرد نفسگیر با ناهمدوســی و خطا، مرز واقعی پیشــرفت در فناوریهای کوانتومی است و هر پیروزی کوچک در آن، گامی بزرگ بهســوی تحقق وعدههای این انقالب محسوب میشود.
گریز از کالسیک – تالش برای اتحاد کوانتوم و گرانش
یکی از عمیقترین و بنیادیترین معماها در تاریخ علم، شــکاف میان دو نظریه بزرگ قرن بیســتم اســت: مکانیک کوانتومی که دنیای بسیار کوچک ذرات زیراتمی را با دقتی شگفتانگیز توصیف میکند و نظریه نسبیت عام اینیشتین که گرانش و ساختار فضا- زمان را در مقیاسهای بزرگ کیهانی شرح میدهد. این دو نظریه هر کدام در قلمرو خود بینهایت موفق بودهاند اما زبانشان با یکدیگر بیگانه است.
این تضاد را میتوان به دو نقشه بینقص از یک کشور تشــبیه کرد که یکی تنها توپوگرافی و کوهها را نشــان میدهد و دیگری تنها شــبکه جادهها را. هر دو دقیقاند اما هیچ راهی برای انطباق آنها روی یکدیگر وجود ندارد. تضاد اصلی در اینجاســت: مکانیک کوانتومی، نیروها را بهصورت تبادل ذرات در یک صحنه ثابت و از پیش تعیینشده )فضا-زمان( توصیف میکند. اما نسبیت عام میگوید که خود این صحنه، یعنی فضا-زمان، ثابت نیست، بلکه یک ساختار پویا و انعطافپذیر است که بهوســیله جرم و انرژی خمیده میشود و این خمیدگی همان چیزی اســت که ما بهعنوان گرانش تجربــه میکنیم )Singh, 2025(. این دوگانگی در شرایط حدی مانند »مرکز یک سیاهچاله« یا »لحظه ِ مهبانگ« به یک بحران تمامعیار تبدیل میشود. در این نقاط که به آنها »تکینگی« میگویند، گرانش بینهایت قوی و فضا بینهایت کوچک میشود و هر دو نظریه از کار میافتند. برای فهم ایــن پدیدهها، ما به یک »نظریه گرانش کوانتومی« نیاز داریم که این دو را با هم متحد کند.
دو کاندیــدای اصلی بــرای این نظریه همهچیــز )of Theory Everything )وجود داشــتهاند. »نظریه ریســمان« پیشنهاد میکند که ذرات بنیادی در واقع حالتهای ارتعاشــی رشتههای یکبعدی انرژی در ابعاد باالتر هستند و گرانش بهطور طبیعی از یکی از این ارتعاشات پدیدار میشود. گرانش کوانتومی حلقهای نیز فضا-زمان را گسســته و متشــکل از واحدهــای بنیادین یا »اتمهای فضــا« میداند.
اما هیچکدام از ایــن نظریهها تاکنون نتوانستهاند پیشبینی قابل آزمایشی ارایه دهند. اخیرا، رویکردی رادیکال توســط تیمی در دانشگاه UCL مطرح شده است. آنان میپرسند شاید مشکل این نیست که گرانش را کوانتومی نکردهایم، بلکه این است که خود نظریه کوانتوم ناقص اســت. این »نظریه پســاکوانتومی گرانش کالسیک« پیشنهاد میکند کــه فضا-زمان کالســیک باقی میماند، امــا به دلیل برهمکنش با ماده کوانتومی، دچار نوســانات تصادفی و غیرقابل پیشبینــی میشــود )Davies-Weller & Oppenheim, 2023(. جذابیت این ایده در این اســت که برخالف نظریههای دیگر، قابل آزمایش اســت.
این پژوهشگران پیشنهاد کردهاند که با اندازهگیری دقیق وزن یک جرم یک کیلوگرمی در طول زمان، میتوان این نوســانات را ردیابی یــا رد کرد. این تالشها، چه از طریــق آزمایشهای رومیزی برای درهمتنیده کردن اجســام از طریــق گرانش و چه از طریق شبیهســازیهای کوانتومی تابش هاوکینگ، نشان میدهد که ما در آستانه آزمودن تجربی ماهیت فضا-زمان در بنیادیترین سطح ممکن قرار گرفتهایم؛ گامی که میتواند عمیقترین درک ما از کیهان را دگرگون کند.
رویاهای فردا – اینترنت کوانتومی و کارخانههای مولکولی
اگر رایانههای کوانتومی امروزی را به اولین رایانههای کالســیک دهه ۱۹۴۰ تشبیه کنیم که اتاقها را پر میکردند، آنگاه »اینترنت کوانتومی« رویای اتصال این ماشــینهای قدرتمند در یک شبکه جهانی است؛ شــبکهای که نهتنها دادهها را منتقل میکند، بلکه خود حالتهای کوانتومی شکننده مانند درهمتنیدگی را در فواصل طوالنی توزیع میکند.
چنین شبکهای کاربردهایی فراتر از تصور امروزی خواهد داشــت: از ارتباطات صددرصد امن و رایانش ابری کوانتومی توزیعشده گرفته تا اتصال تلسکوپها در سراسر جهان برای ایجــاد یک رصدخانه مجازی به انــدازه کره زمین با وضوح بیسابقه ســاخت چنین اینترنتــی با دو چالش بزرگ روبهروســت: اول، چگونه شبکه کوانتومی را با زیرساختهای فیبر نوری کالسیک موجــود ادغام کنیم؟ و دوم، چگونه بر مشــکل ازدســترفتن سیگنال کوانتومی در فواصل طوالنی غلبه کنیم؟ اخیرا ، آژانس پروژههای پژوهشی پیشرفته دفاعی آمریکا )DARPA )در برنامه QuANET، یک شبکه هیبریدی را با موفقیت آزمایش کرد که در آن لینکهای کوانتومی و کالسیک بهطور همزمان روی یک زیرساخت کار میکردند )DARPA, 2025). این یک گام کلیدی است، زیرا به معنای آن است که برای ساخت اینترنت کوانتومی، نیازی به بازســازی کامل شبکهی جهانی اینترنت از صفر نیست )SDxCentral, 2025). در جبهه دیگر، پژوهشگران آلمانی با استفاده از روش پیشــرفته QKD-TF، موفق به برقراری ارتباط کوانتومی امن در طول ۲۵۴ کیلومتر از فیبر نوری تجاری شدند )Swayne, 2025). این دســتاوردها نشــان میدهد که رویای شبکههای کوانتومی شهری و بینشهری بهتدریج درحال تبدیل شدن به واقعیت است. فراتر از ارتباطات، بزرگترین رویــای رایانش کوانتومی، تبدیل شــدن به یک »کارخانه طراحی مولکولی« است. تصور کنید به جای ســالها آزمایش و خطای پرهزینه در آزمایشــگاه، بتوانیم رفتــار دقیق یک مولکــول دارو را در تعامل بــا یک ویروس، یا عملکرد یــک کاتالیزور جدیــد برای جذب کربن دیاکســید از اتمســفر را در یک رایانه شبیهســازی کنیم.
این دقیقا همان کاری است که شبیهسازهای کوانتومی برای آن طراحی شدهاند. پیشرفتهایی مانند سرد کردن یک سیستم کوانتومی تا دمایی نزدیــک به صفر مطلق ازســوی تیمی در هــاروارد، به ما اجازه میدهد تا »نابترین سیســتم کوانتومی مصنوعی« را بسازیم و پدیدههایی مانند ابررسانایی را با جزییاتی بیسابقه مطالعه کنیم )Foundation Simons, 2025). بازار این فناوریها نیز بهســرعت درحال رشــد اســت. گزارش مککینزی پیشبینی میکند که بــازار فناوریهای کوانتومی تا ســال ۲۰۳۵ به حدود ۹۷میلیارد دالر برسد که بخش عمده آن به رایانش و شبیهســازی اختصاص خواهد داشت)McKinsey, 2025(. ایــن رویاها دیگر محدود به داســتانهای علمی-تخیلی نیستند؛ این رویاها نقشهراهی هستند که بزرگترین آزمایشگاهها و شــرکتهای فناوری جهان در حال پیمودن آن هســتند و در دهههای آینده، تاثیر عمیقی بر پزشکی، انرژی و علم مواد خواهند گذاشت
فراتر از »چیزها«، بهسوی »شدنها«: آیا به زبانی نو نیاز داریم؟
شــاید مشکل اصلی، در خود زبان ما و در پیشفرضهای فلسفی ما نهفته باشــد. ما عادت کردهایم جهان را متشکل از »چیزها«ی ثابت و مجزا ببینیم؛ الکترونها، میزها، ســیارهها. اما چه میشود اگر واقعیت در بنیادینترین ســطح خود، نه از »چیزها«، بلکه از »فرآیندها« و »رویدادها« ساخته شده باشد؟ این، جوهر »فلســفه فرآیندی« آلفرد نورث وایتهد اســت. از این دیدگاه، جهان یک مجموعه ایستا از اشیا نیست، بلکه یک جریان پویا از »شــدن« و »واقعی شدن« اســت. در این زبان جدید، یک الکترون یک »چیز« نیســت، بلکه یک رویداد یا یک فرآیند است که از دریایی از پتانسیلها به یک تحقق مشخص میرسد. از این منظر، »اندازهگیری« دیگر عمل منفعالنه یک ناظر روی یک شیء نیســت؛ بلکه یک برهمکنش خالقانه است. یک رویداد که در آن، ظرفیتهــای جهان کوانتومی به یک واقعیت کالســیک تبدیل میشوند. فیلســوف معاصر، کارن باراد، این ایده را یک قدم فراتر میبرد.
او معتقد است که ما باید مرز میان »ناظر« و »آنچه مشاهده میشود« را بهکلی برداریم. واقعیت، در این تعامل شکل میگیرد. نمیتوان از ویژگیهای یک الکترون بهطور مســتقل از دستگاهی که آن را میسنجد صحبت کرد. این دو، در یک رقص درهمتنیده، یکدیگر را تعریف میکنند و »واقعیت« همان الگویی اســت که از این رقص مشترک پدیدار میشود. برای مثال، یک توده خمیر نانوایی را روی میز تصور کنید. این توده، نرم و بیشکل است. میتوان گفت در »برهمنهی« از تمام شکلهای ممکن قرار دارد: میتواند نان سنگک، باگت، یا کروسان باشد. این توده، نماینده ذره کوانتومی با تمام پتانسیلهایش است. حاال دستان نانوا )دستگاه اندازهگیری( را در نظر بگیرید. این دستها بهتنهایی هیچ »شکلی« ندارند ِ . »واقعیت« شکل نان، تنها در »فرآیند تعامل« خلق میشود. وقتی دستان نانوا خمیر را لمس، ورز میدهد و پهن میکند، یک شکل مشخص از دل آن توده بیشکل پدیدار میشود. این شکل نهایی، نه ویژگی ذاتی خمیر به تنهایی بود و نه در دستان نانوا وجود داشت، بلکه نتیجه »گفتوگوی« میان فشار و حرکت دســتها با مقاومت و انعطافپذیری خمیر است. نکته کلیدی در دیدگاه باراد اینجاست که دســتان نانوا فقط یک شکل از پیش موجود را »کشف« نمیکنند، بلکه فعاالنه در »خلق« آن مشارکت دارنــد. اگر نانوا به جای پهن کردن )اندازهگیری جایگاه(، خمیر را لوله میکرد )اندازهگیری تکانه(، یک »واقعیت« کامال متفاوت )نان باگت( خلق میشد؛ بنابراین، »واقعیت« کوانتومی مانند شکل نان اســت؛ چیزی که بهطور مشترک بهوسیله ذره )خمیر( و دستگاه اندازهگیری )دســتان نانوا( تعریف و ساخته میشود.
این دو از هم جداییناپذیرنــد و واقعیت، همان الگویی اســت که از این رقص مشترک آنها پدیدار میشود. این دیدگاههای فلسفی، به ما راهحلی ریاضی نمیدهند اما چارچوبی کامال جدید برای اندیشیدن به این معما فراهم میکنند. شاید مساله اندازهگیری، یک باگ در نظریه ما نیست، بلکه یک ویژگی بنیادین در ساختار خود واقعیت است؛ واقعیتی که نه ایستا و از پیش تعیینشده، بلکه پویا، رابطهای و همواره درحال »شــدن« است. شاید برای حل این معما، بیــش از فیزیک بهتر، به زبانی بهتر نیاز داریم. زبانی که بتواند داستان جهانی را روایت کند که در آن، ما نه تماشاچیان، بلکه شرکتکنندگان فعال در خلق مداوم واقعیت هستیم.
عنصر انسانی – آموزش، شهود کوانتومی و جامعه فردا
در میان تمام بحثها پیرامون کیوبیتها، الگوریتمها و بازارهای میلیارد دالری، یک عنصر حیاتی اغلب نادیده گرفته میشــود: عنصر انسانی. انقالب کوانتومی، بیش از هر چیز، یک انقالب در تفکر است و موفقیت آن در بلندمدت نه تنها به ســاخت ماشینهای بهتر، بلکه به توانایی ما در آموزش نسلی جدید از دانشــمندان، مهندسان و حتی شهروندانی بســتگی دارد که بتوانند با منطــق عجیب این دنیای جدید فکر کنند و کار کنند. شــهود ما در دنیای کالسیک شکل گرفته است؛ جایی که یک شــیء نمیتواند همزمان در دو مکان باشــد و علت همیشه پیش از معلول میآید. اما دنیای کوانتومی نیازمند یک »شــهود کوانتومی« جدید است. ایــن چالش از مــدارس ابتدایی آغاز میشــود و تا باالترین ســطوح دانشگاهی ادامه دارد.
چگونه میتوان مفاهیم انتزاعی مانند برهمنهی و درهمتنیدگی را به گونهای آموزش داد که برای دانشآموزان قابل فهم باشد؟ بازیها، شبیهسازیهای تعاملی و ابزارهای بصری، نقش کلیدی در ساختن این پل مفهومی ایفا خواهند کرد. بدون ایجاد یک خط لوله اســتعداد قوی، با کمبود نیروی کار متخصصی روبهرو خواهیم شد که بتواند این فناوریها را توسعه داده و به کار گیرد. از ســوی دیگــر، همانطور کــه در بخــش چالشهــای اجتماعی اشــاره شــد، آموزش عمومی نقشــی حیاتی در مدیریت انتظارات و پیشــگیری از اطالعات نادرســت دارد. یک جامعه آگاه، بهتر میتواند در مورد مســایل پیچیده اخالقــی و سیاســتگذاریهای مرتبط با ایــن فناوری تصمیمگیــری کند. نامگــذاری ســال ۲۰۲۵ بهعنوان ســال بینالمللی علــم و فناوری کوانتــوم یک گام مثبت اســت اما بایــد اطمینان حاصــل کنیم که ثمــرات آن به فراتــر از حلقههای آکادمیک و صنعتی نفوذ کرده و به گفتوگویی عمومی تبدیل شــود )Record Quantum The, 2024). درنهایت، انقالب کوانتومی میتواند الهامبخش خالقیت در حوزههایی فراتر از علم و فناوری باشد. هنرمندان، نویسندگان و فیلسوفان میتوانند از مفاهیم کوانتومی برای خلق آثار جدید و کاوش در ایدههایی درباره واقعیت، ارتباط و عدم قطعیت اســتفاده کنند. همانطور که نســبیت انیشــتین بر هنر کوبیســم و ادبیات مدرن تاثیر گذاشت، کوانتوم نیز میتواند زبان و اســتعارههای جدیدی برای توصیف تجربه انسانی در قرن بیستویکم فراهم آورد. آمادهسازی جامعه برای آینده کوانتومی، تنها یک مســولیت فنی نیست، بلکه یک ضرورت فرهنگی و آموزشی اســت تا اطمینان حاصل کنیم که این انقــاب قدرتمند، در خدمت بشریت قرار میگیرد
دیدگاهتان را بنویسید