مقداری خامه به قهوه صبح خود اضافه کنید تا ابرهای مایع سفید رنگ در اطراف فنجان شما بچرخد. اما چند ثانیه به آن زمان دهید تا چرخش‌ها ناپدید شوند و شما را با یک لیوان معمولی حاوی مایع قهوه‌ای باقی بگذارند.

چیزی شبیه همین نوشته در تراشه‌های کامپیوتری کوانتومی اتفاق می‌افتد. این تراشه‌ها دستگاه‌هایی در کوچک‌ترین مقیاس‌ها می باشند که به ویژگی‌های شگفت کیهان دست می‌زنند؛ جایی که اطلاعات می‌توانند به شدت درهم ریخته شوند و قابلیت‌های حافظه این ابزارها را محدود کنند.

«راهول ناندکیشور»، دانشیار فیزیک در دانشگاه کلرادو بولدر، می‌گوید که لزومی ندارد اوضاع اینطور پیش برود!

در یک ایده تازه برای فیزیک نظری، او و همکارانش از ریاضیات منفعت گیری کرده‌اند تا نشان دهند که دانشمندان می‌توانند اساساً سناریویی تشکیل کنند که در آن شیر و قهوه هیچ زمان باهم مخلوط نشوند و مهم نیست چه مقدار آنها را به هم می‌زنیم.

یافته‌های این گروه امکان پذیر تبدیل پیشرفت‌های جدیدی در تراشه‌های کوانتومی بشود که راه حلهای جدیدی را برای ذخیره اطلاعات در اجسام زیاد ریز در اختیار مهندسان قرار می‌دهد.

ناندکیشور، نویسنده ارشد این مطالعه تازه می‌گوید:

«به الگوهای چرخشی اولیه فکر کنید که هنگامی خامه را به قهوه صبح خود اضافه می کنید، ظاهر خواهد شد. فکر کنید این الگوها بدون دقت به زمان وقتی که تماشا کرده‌اید به چرخش و رقص ادامه خواهند داد.»

محققان تا این مدت باید آزمایش‌هایی را در آزمایشگاه انجام بدهند تا یقین شوند که چرخش‌های بی‌آخر واقعاً مقدور می باشند. اما نتایج این گروه یک قدم بزرگ رو به جلو برای فیزیکدانانی است که به‌جستوجو تشکیل موادی می باشند که برای زمان طویل خارج از اعتدال یا در اعتدال باقی می‌همانند

حافظه کوانتومی

این مطالعه که شامل نویسندگان مشترک «دیوید استفن» و «الیور هارت» است، به یک مشکل رایج در محاسبات کوانتومی بستگی دارد.

کامپیوترهای معمولی روی «بیت‌ها» کار می‌کنند که به شکل صفر یا یک می باشند. ناندکیشور توضیح می‌دهد که رایانه‌های کوانتومی، درمقابل، «کیوبیت‌ها» را به کار می‌گیرند که می‌توانند به‌صورت صفر، یک یا به‌علت شگفت‌بودن فیزیک کوانتومی، به‌طور همزمان صفر و یک باشند.

مهندسان کیوبیت‌ها را از طیف وسیعی از چیزها ساخته‌اند؛ ازجمله اتم‌های مجزا که توسط لیزرها یا دستگاه‌های کوچکی به نام ابررساناها به دام افتاده‌اند.

اما درست همانند آن فنجان قهوه، کیوبیت‌ها می‌توانند به راحتی باهم مخلوط شوند. برای مثال، اگر همه کیوبیت‌های خود را به یک برگردانید، درنهایت به جلو و عقب می‌چرخند تا وقتی که کل تراشه به یک آشفتگی بی‌نظم تبدیل بشود.

در تحقیقات تازه، ناندکیشور و همکارانش امکان پذیر راهی برای دورزدن این تمایل به اختلاط اشکار کرده باشند. این گروه محاسبه کرد که اگر دانشمندان کیوبیت‌ها را در الگوهای خاصی مرتب کنند، این مجموعه‌ها اطلاعات خود را نگه داری خواهند کرد. حتی اگر با منفعت گیری از میدان مغناطیسی یا اختلالی شبیه، آنها را مختل کنید. این ویژگی می‌تواند به مهندسان اجازه دهد تا دستگاه‌هایی با نوعی حافظه کوانتومی بسازند.

ربط با هندسه

در این مطالعه، محققان از ابزارهای مدل‌سازی ریاضی برای فکر آرایه‌ای از صدها تا هزاران کیوبیت منفعت گیری کردند که در یک الگوی شطرنجی چیده‌ شده‌اند.

آنها در این ترفنده کیوبیت‌ها را در یک نقطه تنگ قرار دادند. نادکیشور گفت که اگر کیوبیت‌ها به قدر کافی به یکدیگر نزدیک شوند، می‌توانند بر حرکت همسایگان خود تأثیر بگذارند؛ تقریباً همانند جمعیتی از مردم که تلاش می‌کنند خود را در یک باجه تلفن فشرده کنند.

برخی از این افراد امکان پذیر راست یا روی سر خود ایستاده باشند، اما نمی توانند بدون فشارآوردن‌ به دیگران، به سمت دیگر حرکت کنند.

محققین محاسبه کردند که اگر این الگوها را به‌درستی بچینند، آن الگوها امکان پذیر در اطراف یک تراشه کامپیوتر کوانتومی جریان داشته باشند و هیچ زمان تحلیل نخواهند رفت. دقیقاً همانند ابرهای خامه‌ای که برای همیشه در قهوه شما می‌چرخند.

ناندکیشور او گفت:

«مسئله شگفت‌انگیز درمورد این مطالعه این است که ما کشف کردیم که می‌توانیم این اتفاق اساسی را از طریق هندسه تقریباً ساده فهمیدن کنیم.»

یافته‌های این تیم می‌تواند زیاد زیاد تر از رایانه‌های کوانتومی تأثیر بگذارد.

ناندکیشور توضیح می‌دهد که تقریباً همه‌چیز در جهان، از فنجان‌های قهوه گرفته‌ تا اقیانوس‌های گسترده، به سمت چیزی حرکت می‌کند که دانشمندان آن را «اعتدال حرارتی» می‌نامند. برای مثال، اگر یک تکه یخ را در لیوان بیاندازید، گرمای قهوه، یخ را ذوب می‌کند و درنهایت مایعی با دمای یکنواخت راه اندازی می‌دهد.

بااین‌حال، یافته‌های تازه او به مجموعه تحقیقاتی رو به رشدی می‌پیوندد که مشخص می کند برخی از سازمان‌های کوچک ماده می‌توانند دربرابر اعتدال مقاومت کنند. انگارً این کار برخی از تغییرناپذیرترین قوانین جهان را می‌شکنند.