دانشمندان با در هم آمیختن علت و معلول، یکی از قوانین فیزیک را معکوس کردند

ترتیب علی نامعین به فیزیکدانان اجازه داد تا یک قانون طبیعت را معکوس کرده و سپس آن را با استفاده از یک پرتو نوری شکافته‌شده تایید کنند. ترتیب علی نامعین یا Indefinite Causal Order، مفهومی در فیزیک کوانتوم است که در آن مشخص نیست کدام رویداد علت است و کدام معلول و توالی اتفاقات به صورت ثابت و خطی پیش نمی‌رود.

یک تیم بین‌المللی از دانشمندان سناریویی واقعا عجیب را توصیف کرده‌اند: دو محفظه کوانتومی که انرژی گرمایی را از سمت سردتر به سمت گرم‌تر ارسال می‌کنند. به عبارت دیگر، جریانی دقیقا برعکس نحوه انتقال طبیعیِ گرما. این تیم برای دستیابی به هدف خود، از معروف‌ترین ویژگی فیزیک کوانتوم، یعنی برهم‌نهی (Superposition) بهره بردند؛ حالتی که در آن یک سیستم می‌تواند همزمان در دو حالت مختلف وجود داشته باشد. برهم‌نهی، پویایی خاصی به نام ترتیب علی نامعین (ICO) ایجاد می‌کند. در این حالت، یک عامل پنهان سوم می‌تواند روی دو مخزن اثر بگذارد، بدون اینکه از محتوای درون آن‌ها اطمینان داشته باشد؛ بنابراین، این عامل هرگز متوجه نمی‌شود که کدام طرف گرم و کدام طرف سرد بوده است. نتایج تحقیقات این تیم اکنون در نشریه علمی Physical Review Letters منتشر شده است.

هدف از کاوش‌هایی نظیر این، نزدیک‌تر کردن فیزیک کوانتوم که به بررسی ذرات بسیار ریز می‌پردازد و فیزیک کلاسیک که قوانین دنیای ملموس و بزرگ‌مقیاس را توضیح می‌دهد، برای رسیدن به یک نظریه یکپارچه از گرانش است. به عنوان مثال، در حالی که مفهوم ICO برخی از جنبه‌های این یافته را توضیح می‌دهد، دانشمندان می‌گویند که سیستم طراحی‌شده آن‌ها با علیت کلاسیک (رابطه علت و معلولی معمولی) نیز سازگار است و کار می‌کند. چایتانیا گوپتا، خبرنگار علمی، در مقاله‌ای که در مجله Physics World منتشر شده، ایده به کار رفته در این آزمایش را این‌گونه توضیح می‌دهد

دو محفظه گاز را در کنار هم تصور کنید که توسط یک غشای نفوذپذیر از هم جدا شده‌اند. حالا تصور کنید یک عامل کوچک، یا یک شیطانک در کنار این دیواره جداکننده ایستاده است. (منظور از شیطانک در اینجا، یک مفهوم معروف در فیزیک به نام شیطانک ماکسول است که به عنوان یک دربان فرضی در آزمایش‌های ذهنی فیزیک برای کنترل ذرات استفاده می‌شود). چه می‌شد اگر این شیطانک به ذرات گاز سرد اجازه می‌داد تا به محفظه گرم‌تر بروند، اما جلوی حرکت ذرات گاز گرم به محفظه سردتر را می‌گرفت؟

بر اساس محاسبات ریاضی، برای اطمینان از اینکه این سیستم قانون دوم ترمودینامیک را نقض نمی‌کند، حافظه این شیطانک (عامل کنترل‌کننده) باید هر چند وقت یک‌بار پاک شود. این کار باعث می‌شود مقدار کلی آنتروپی در سیستم بازیابی شود. آنتروپی معیاری برای اندازه‌گیری میزان بی‌نظمی یا تصادفی بودن در یک سیستم است و طبق قوانین فیزیک، بی‌نظمی کل جهان همواره در حال افزایش است.

ایده چنین عامل مداخله‌گری، در دنیای علم عموما به عنوان یک سوییچ کوانتومی شناخته می‌شود؛ ابزاری که اجازه می‌دهد مسیر علت و معلول توسط یک کیوبیت (کوچک‌ترین واحد محاسبات کوانتومی) تنظیم یا انتخاب شود. پردازش در کامپیوترهای سنتی و معمولی، در نهایت مجموعه‌ای از میلیون‌ها سوییچ (غیرکوانتومی) است که به شکل صفر و یک درآمده و جریان الکتریسیته را نشان می‌دهند. یک سوییچ کوانتومی نیز همین کار را در سناریوی محاسبات کوانتومی انجام می‌دهد، اما از نظر تئوری می‌تواند به طور همزمان هم ۰ و هم ۱ باشد، که این همان قابلیت فعال‌کننده برهم‌نهی است.

اما این مفاهیم در دنیای واقعی چگونه عمل می‌کنند؟ برای جان بخشیدن به این ایده‌های کاملا منطقی ریاضی، این گروه تحقیقاتی آزمایشی را با استفاده از نور ترتیب دادند؛ آن‌ها برای پیاده‌سازی ایده برهم‌نهی، یک پرتو نوری را شکافتند و سپس این دو پرتوی فرعی متفاوت را طوری تنظیم کردند که نمایانگر ترتیب دو مخزن از ذرات باشند. نتایج این سیستم، با دقتی بیش از ۹۹ درصد با مقادیر تئوری و موردانتظار مطابقت داشت.

این یافته‌ها هم برای سوییچ کوانتومی در حالت برهم‌نهی و هم برای یک ترتیب علی مشخص صدق می‌کند، اما دانشمندان توضیح می‌دهند که نسخه سوییچ کوانتومی ممکن است برای استفاده در فوتونیک فضای آزاد (Free space photonics) انعطاف‌پذیرتر باشد. فوتونیک فضای آزاد به انتقال اطلاعات و پرتوهای نوری از طریق هوا یا خلأ، به جای استفاده از کابل‌های فیبر نوری یا سایر محیط‌های فیزیکی گفته می‌شود.

بدون نیاز به یک محیط فیزیکی برای انتقال، دانشمندان می‌توانند چنین پرتوهایی را در فواصل بسیار طولانی هدایت کنند، بدون اینکه نیازی به تجهیزات جانبی و هزینه‌های گزاف کشیدن کیلومترها سیم یا کابل فیبر نوری باشد.

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