شنیدن صدای طبل‌های کوانتمی

چهل سال قبل «مارک کاک» ریاضی‌دان این سؤال نظری را مطرح می‌کند:«آیا می‌توان صدای یک طبل کوانتمی را شنید؟»      

اگر طبل‌ها شکل‌های مختلف و خاص خود را داشته باشند، طیف صوتی واحدی دارند که می‌توان طیف هر کدام را به طور خاص مورد بررسی قرار داد. اصطلاحا آن را شنیدن «صدای طبل» می‌نامیم که همان عملکرد طیف‌سنجی را دارد. همان روشی که دانشمندان برای بررسی ستارگان استفاده می کنند.

حالا اگر دو طبل جداگانه را با دو شکل متفاوت یک صدا را تولید کنند، تلکیف چیست؟ اگر این اتفاق بیافتد، غیرممکن است که بتوان از طیف ساختار فیزیکی طبل را مشخص کرد. زیرا بیش از یک جواب صحیح برای سؤال وجود دارد.

تا دهه‌ی نود طول می‌کشد تا ریاضی‌دانان اثبات کنند که دو طبل متفاوت می‌توانند صدای مشابهی تولید کنند. به عبارت دیگر شما شکل طبل را نمی‌شنوید! صدای تولید شده،‌ را میتوان به ارتعاشات سطحی حباب‌های صابون تشبیه کرد. و این سؤال‌های نظری را درباره‌ی طیف‌سنجی به‌وجود می‌آورد.

فیزیکدان استانفورد «هاری مانوهاران» می‌گوید:«این مفهوم انقلابی در رابطه‌ی بین شکل و صوت است ولی در کُل دلایلی ژرف در طیف‌سنجی دارد زیرا یک ابهام را رفع می‌کند.»

قدم بعدی برای مانوهاران این معما سؤال طبل در تراز کوانتمی بالاتری است. او و دانشجویانش درباره‌ی این سؤال در ابعاد کوانتمی جستاری را انجام دادند که اثری در سیستم‌های نانوالکترونیک است.

با استفاده از میکروسکوپ اسکن تونل‌زنی و دو ابزار در ابعاد اتاق را برای حرکت دادن تک مولکول‌های دی‌اکسید کربن در سطح مس، استفاده کردند. آن‌ها دیوارهای کوچکی به اندازه‌ی یک مولکول می‌سازند. این مولکول‌ها را نُه گوشه‌ای شکل دادند. که مانند طبل می‌توانند تشدید کنند (زیرا دوگانگی موج/ذره‌‌ی الکترون‌ها درون چارچوب نگه‌می‌دارد).

مانوهاران این چارچوب‌ها را «طبل‌های کوانتمی» می‌نامد. هر طبل فقط 30 یا الکترون‌های بیش‌تری در گوشه‌ها قرار دارد. آن‌ها را با تقریبا 100 مولکول دی‌اکسید کربن دیواره بندی کرده‌اند.

نتیجه؟ در همین دنیای عادی، دو نانوساختار با شکل‌های مختلف میتوانند به یک شکل تشدید داشته باشند. پدیده ای که به نام «طیف یکسان» شناخته شده است. مانوهاران و دانشجوی ارشد وی کریس موون و دیگران ویدیوئی از دو طبل کوانتمی با صدای مشابه تهیه کردند (صدای واقعی در فرکانس‌های فراصوت در گستره‌ی تراهرتزاست، در این شبیه سازی صوت به گستره‌ی شنوایی انسان منتقل شده است).

مقدار تجربی نانوساختارهای متفاوت یا ویژگی‌های یکسان ممکن است در طرح هر مدار رایانه ای کوچکی قرار بگیرد. طراحان مدارهای نانوالکترونیک دو راه برای رسیدن به چنین نتیجه‌ای دارند «حالا طرح شما دوبرابر بزرگ‌تر است».

تا زمانی که صنعت چیپ سازی به سمت کوچک شدن پیش می‌رود، مانوهاران جهت عکس را طی می کند! او می‌گوید:«تحقیق من نشان می‌دهد که اگر شما شروع از پله های پایین‌تر راه خود را آغاز کنید، چه می‌شود؟ ما ساختارهای تک اتمی را در یک زمان داریم. جای خالی بین ابتدا و انتهای این تحقیق و نتیجه‌ی صنعتی کوچک شدن ساختارها دقیقا جای تعجب است! این کار ارتباطی طبیعی از دیدگاه محاسبات کوانتمی است.»

این تحقیق ممکن است رابطه‌ای با نظریه‌ی ریسمان هم داشته باشد، که کیهان‌شناسان آن را برای رسیدن به درک بهتری از ساختار عالم استفاده می‌کنند. مانوهاران می‌گوید:«ابهامی در توپولوژی عالم ما وجود دارد که این طیف مبهم را رازآلود می‌کند.» نظریه های ریسمان سطح‌هایی پیچیده را توصیف می‌کنند که در قیاس با این طبل دو بُعدی ابعاد بالاتری دارند.

این تحقیق یافته‌های مهم دیگری نیز در دنیای مکتنیک کوانتمی در بر دارد. تا زمانی‌که دیدن فازهای کوانتمی تابع موج الکترون/ ها درون ساختار کوانتمی مستقیما مشاهده نشود، جمله‌ی مانوهاران راهی است برای گسترش اطلاعات ما. روش همان اندازه‌گیری از طیف‌های یکسان طبل‌ها است و سپس به طور ریاضیاتی ترکیب این اطلاعات، که فرایندی است به‌نام «انتقال کوانتمی».

وی می گوید:«ما کشف کردیم که این آزادی حرکت بالاتر در هندسه ما را قادر می‌سازد تا با یک روش به تقلب در مکانیک کوانتم دست بزنیم! و به طور طبیعی اطلاعات فاز کوانتمی مبهم را بدست آوریم».

راه‌های دیگری نیز برای اندازه‌گیری اطلاعات فاز کوانتمی از اتم‌ها یا مولکولهای‌ گازی یا از نقطه های کوانتمی و حلقه‌ها داریم، که همگی در یک فرایند انجام می‌پذیرند به نام «تداخل». روش دیگر «هندسه‌ در تداخل سنجی» است. این روش‌ها برای محقیقان می تواند مزیت‌هایی هم داشته باشد.

برای شنیدن صدای طبل کوانتمی ثبت شده «کلیک» کنید.