شبیه‌سازی سیاه‌چاله‌ها به کشفی غیرمنتظره در دنیای کوانتوم منجر شد

در آن سوی افق رویداد سیاه‌چاله، سرنوشت اطلاعات به شکلی که می‌شناسیم همچنان در هاله‌ای از ابهام قرار دارد. در این محیط‌های افراطی کیهان، تصور می‌شود اطلاعات کوانتومی تقریباً تا مرز غیرقابل‌شناسایی شدن درهم‌ریخته و میان شبکه‌ای پیچیده از برهم‌کنش‌های کوانتومی پراکنده می‌شود.

با این حال، اگر دو سیاه‌چاله از طریق کرم‌چاله‌ای شبیه یک مجرای ارتباطی به یکدیگر متصل شوند، امکان رخ دادن پدیده‌ای شگفت‌انگیز وجود دارد. تحت شرایط مناسب، اطلاعاتی که به درون یکی از این سیاه‌چاله‌ها سقوط کرده، ممکن است از سیاه‌چاله دیگر بیرون بیاید.

این ایده همچنان در قلمرو نظریه‌های علمی قرار دارد، اما الهام‌بخش روشی خاص برای انتقال کوانتومی شده. پژوهشگران اکنون دریافته‌اند که این روش برای دستیابی به عملکردی قابل‌توجه، برخلاف انتظار، به یکی از منابع محاسباتی پیشرفته در رایانش کوانتومی نیاز ندارد.

این منبع، جادوی کوانتومی نام دارد. سودانوا جوشی و سونیل کومار میشرا، فیزیک‌دانان مؤسسه فناوری هند در دانشگاه هندو بنارس، با نشان دادن اینکه پروتکل انتقال (تله‌پورت) کوانتومی الهام‌گرفته از سیاه‌چاله‌ها می‌تواند بدون جادوی کوانتومی نیز به دقت بالایی دست پیدا کند، مسیر تازه‌ای برای درک بهتر این پدیده عجیب اما واقعی گشوده‌اند.

انتقال کوانتومی و مفهوم جادوی کوانتومی

انتقال کوانتومی برخلاف چیزی که در داستان‌های علمی‌تخیلی می‌بینیم، به معنای جابه‌جایی آنی یک جسم از مکانی به مکان دیگر نیست. در این فرایند، هیچ ماده فیزیکی منتقل نمی‌شود و انتقال نیز به‌صورت آنی صورت نمی‌گیرد. در عوض، حالت کوانتومی یک ذره به ذره دیگری انتقال می‌یابد. این کار با کمک پیوندی به نام درهم‌تنیدگی کوانتومی و همچنین ارتباطات کلاسیک انجام می‌گیرد.

درهم‌تنیدگی یکی از عجیب‌ترین پیامدهای مکانیک کوانتومی به شمار می‌رود. در این وضعیت، ویژگی‌های دو جسم چنان به یکدیگر وابسته می‌شوند که دیگر نمی‌توان آن‌ها را به‌طور کامل و مستقل از هم توصیف کرد. چنین ارتباطی با استفاده از قوانین فیزیک کلاسیک قابل توضیح نیست.

این فرایند امکان انتقال اطلاعات با سرعتی بیشتر از نور را فراهم نمی‌کند و حالت کوانتومی اولیه نیز در جریان انتقال از بین می‌رود. با این وجود، نتیجه همچنان شگفت‌انگیز به نظر می‌رسد؛ زیرا می‌توان حالت کوانتومی را در فاصله‌ای زیاد بازسازی کرد، بدون آنکه لازم باشد خود ذره یا فردی به‌صورت فیزیکی از مکانی به مکان دیگر برود.

در رایانش کوانتومی، جادوی کوانتومی ویژگی‌ای است که به برخی عملیات کوانتومی اجازه می‌دهد از محدوده توانایی‌هایی فراتر بروند که شبیه‌سازی کارآمد آن‌ها با رایانه‌های معمولی امکان‌پذیر می‌باشد.

برای درک بهتر این مفهوم، می‌توان حمل‌ونقل بار را در نظر گرفت. کامیون و هواپیما هر دو قادرند محموله‌ای را میان دو شهر جابه‌جا کنند و برای بعضی مسیرها، استفاده از هرکدام نتیجه یکسانی دارد. اما هواپیما توانایی‌هایی دارد که کامیون نمی‌تواند به همان شکل و با همان کارایی انجام دهد؛ برای مثال، عبور از اقیانوس در عرض چند ساعت.

جادوی کوانتومی نیز قابلیتی اضافی با چنین نقشی دارد. این ویژگی به رایانه‌های کوانتومی امکان می‌دهد محاسباتی خاص را انجام دهند که بازسازی کارآمد آن‌ها برای رایانه‌های معمولی دشوار است. البته تمام وظایف کوانتومی به این قابلیت نیاز ندارند.

سیاه‌چاله‌ها چگونه اطلاعات کوانتومی را درهم می‌ریزند؟

سیاه‌چاله‌ها را از سریع‌ترین سامانه‌های درهم‌ریزنده اطلاعات کوانتومی در جهان می‌دانند. اطلاعاتی که وارد این اجرام فوق‌العاده چگال می‌شود، چنان با سایر اطلاعات و برهم‌کنش‌های موجود درون آن‌ها درهم می‌آمیزد که بازیابی اطلاعات اولیه بسیار دشوار خواهد بود؛ آن هم بدون در نظر گرفتن مشکل اساسی عبور از افق رویداد.

با این حال، طبق قوانین مکانیک کوانتومی، اطلاعات کوانتومی نمی‌تواند به‌سادگی در جهان نابود شود. این اصل یکی از قواعد بنیادین نظریه کوانتومی به شمار می‌رود. دست‌کم از نظر تئوری، اگر دو سیاه‌چاله به شیوه‌ای مناسب به یکدیگر متصل باشند، اطلاعاتی که در یکی از آن‌ها درهم‌ریخته شده، ممکن است از طریق دیگری بازیابی شود.

فیزیک‌دانان با الهام از این نظریه، پروتکل‌هایی برای انتقال کوانتومی طراحی کرده‌اند که در آن‌ها از مدارهای کوانتومی برای شبیه‌سازی فرایند درهم‌ریختگی اطلاعات استفاده می‌شود، نه از سیاه‌چاله‌های واقعی. البته تصور انجام چنین آزمایشی با خود سیاه‌چاله‌ها نیز به‌تنهایی شگفت‌انگیز است.

این رویکرد پرسشی مهم را مطرح می‌کند: برای درهم‌ریختن اطلاعات به این شکل، واقعاً به چه میزان توان محاسباتی کوانتومی نیاز داریم؟

سودانوا جوشی و سونیل کومار میشرا پژوهش خود را با هدف پاسخ دادن به همین پرسش آغاز کردند.

مقایسه دو روش برای انتقال اطلاعات کوانتومی

پژوهشگران برای بررسی این موضوع، دو روش متفاوت درهم‌ریختن اطلاعات کوانتومی را در یک پروتکل انتقال الهام‌گرفته از سیاه‌چاله‌ها به‌صورت ریاضی تحلیل کردند.

روش نخست بر مجموعه‌ای از عملیات کوانتومی موسوم به مدارهای کلیفورد تکیه داشت. این مدارها قادرند درهم‌تنیدگی ایجاد کنند و اطلاعات کوانتومی را دست‌کاری کنند، اما برای انجام این کار به جادوی کوانتومی نیاز ندارند. رفتار آن‌ها همچنین با استفاده از رایانه‌های معمولی به‌صورت کارآمد قابل شبیه‌سازی است.

روش دوم از عملیات کوانتومی عمومی‌تری استفاده می‌کرد که به‌صورت تصادفی از میان مجموعه‌ای از عملیات ممکن انتخاب می‌شوند. این روش که درهم‌ریزنده‌های تصادفی هار نام دارد، معمولاً از میزان قابل‌توجهی جادوی کوانتومی برخوردار است.

پژوهشگران محاسبات هر دو روش را انجام دادند و سپس میزان وفاداری انتقال کوانتومی آن‌ها را با یکدیگر مقایسه کردند. وفاداری انتقال نشان می‌دهد حالت کوانتومی بازیابی‌شده تا چه اندازه به اطلاعات اولیه شباهت دارد.

نتیجه اولیه غیرمنتظره بود: هر دو روش به‌طور میانگین دقیقاً به وفاداری یکسانی در انتقال کوانتومی دست یافتند، با این تفاوت که یکی از آن‌ها از جادوی کوانتومی استفاده می‌کرد و دیگری به چنین قابلیتی نیاز نداشت.

البته میانگین به‌تنهایی نمی‌تواند تمام ویژگی‌های یک مجموعه داده را نشان دهد.

فرض کنید دو مجموعه داریم که هرکدام شامل پنج عدد هستند و میانگین هر دو مجموعه برابر با ۱۰ است. در مجموعه نخست، هر پنج عدد دقیقاً ۱۰ هستند. اما مجموعه دوم شامل اعداد منفی ۱۰۰۰، مثبت ۰٫۵، عدد ۴، عدد ۴۵٫۵ و مثبت ۱۰۰۰ است. اگر این اعداد را با یکدیگر جمع کنیم و حاصل را بر پنج تقسیم کنیم، باز هم به میانگین ۱۰ خواهیم رسید.

با وجود میانگین یکسان، پراکندگی اعداد در این دو مجموعه تفاوت چشمگیری دارد. نتیجه‌ای مشابه در مقایسه دو پروتکل انتقال کوانتومی مشاهده شد. اگرچه میانگین عملکرد آن‌ها یکسان بود، روش مبتنی بر درهم‌ریزنده‌های تصادفی هار نتایج بسیار باثبات‌تری نسبت به روش کلیفورد ارائه داد.

در یکی از مقایسه‌های عددی که با هشت بیت کوانتومی یا کیوبیت انجام شد، واریانس وفاداری انتقال در روش کلیفورد حدود ۴۰ هزار برابر بیشتر از روش دیگر بود. این اختلاف نشان می‌دهد نتایج روش کلیفورد پراکندگی بسیار بیشتری پیرامون میانگین عملکرد خود داشتند.

این یافته حاکی از آن است که جادوی کوانتومی برای دستیابی به میانگین بالای وفاداری انتقال در مدل مورد بررسی ضروری نیست، اما انتخاب نوع عملیات درهم‌ریزنده می‌تواند تأثیر قابل‌توجهی بر ثبات و تکرارپذیری نتایج داشته باشد.

با بزرگ‌تر شدن سامانه‌های کوانتومی چه اتفاقی می‌افتد؟

پژوهشگران به نتیجه جالب دیگری نیز دست یافتند. با افزایش اندازه سامانه‌های کوانتومی شبیه‌سازی‌شده، عملکرد روش کلیفورد به‌تدریج بهتر شد و وفاداری انتقال آن به مقدار ایده‌آل نزدیک‌تر رفت؛ آن هم در شرایطی که عملیات درهم‌ریزنده مورد استفاده در این روش هیچ جادوی کوانتومی تولید نمی‌کردند.

با بزرگ‌تر شدن سامانه‌ها، نتایج روش کلیفورد از ثبات بیشتری نیز برخوردار شدند، هرچند روش مبتنی بر درهم‌ریزنده‌های تصادفی هار همچنان عملکرد قابل‌اعتمادتری داشت.

یافته دیگر پژوهش نشان داد که افزودن جادوی کوانتومی به‌تنهایی برای بهبود نتایج انتقال کافی نیست. نحوه رمزگشایی اطلاعات درهم‌ریخته نیز اهمیت اساسی دارد. در واقع، فرایند رمزگشایی باید با روشی هماهنگ باشد که اطلاعات در مرحله نخست با استفاده از آن درهم‌ریخته شده است.

البته این نتایج به معنای آن نیست که فیزیک‌دانان راهی برای انتقال اطلاعات از میان سیاه‌چاله‌های واقعی پیدا کرده‌اند. پژوهش حاضر ماهیتی نظری دارد و بر مدل‌های ریاضی سامانه‌های کوانتومی در شرایط ایدئال تکیه می‌کند. چنین مطالعات بنیادی می‌توانند مسیر پژوهش‌های آینده را برای بازسازی و آزمایش این پروتکل‌ها روی سخت‌افزارهای واقعی کوانتومی هموار کنند.

هنوز مشخص نیست که این یافته‌ها در شرایط واقع‌گرایانه‌تر نیز اعتبار خود را حفظ خواهند کرد یا خیر. با این حال، نتایج نشان می‌دهند توانایی درهم‌ریختن و بازیابی اطلاعات کوانتومی لزوماً به پیچیدگی محاسباتی فرایند درهم‌ریختگی وابسته نیست.

این دستاورد می‌تواند به فیزیک‌دانان کمک کند تا نه‌تنها رفتار عجیب اطلاعات کوانتومی، بلکه بخشی کوچک از الزامات احتمالی بازیابی اطلاعات از اسرارآمیزترین اجرام جهان را بهتر درک کنند.

برای ارزیابی پایداری، امنیت و نگهداری این زیرساخت، راهنمای پشتیبانی شبکه را نیز مطالعه کنید.