برهمنهی کوانتومی یکی از ویژگی‌های اصلی فیزیک کوانتومی است: یک سامانه می‌تواند پیش از اندازهگیری در ترکیبی از چند حالت ممکن توصیف شود. برای نمونه، یک کیوبیت فقط در وضعیت صفر یا یک نیست؛ ممکن است حالت آن ترکیبی از هر دو باشد.
این توضیح به معنای آن نیست که یک بیت معمولی همزمان دو مقدار قابل خواندن دارد. وقتی کیوبیت اندازهگیری میشود، تنها یک نتیجه ثبت خواهد شد؛ برتری کوانتومی بیشتر از امکان کنترل احتمال‌ها و ایجاد تداخل میان حالت‌ها به دست می‌آید. همین ویژگی، پایهٔ بخشی از رایانش کوانتومی، شبیهسازی مولکولها و برخی حسگرهای دقیق است.
برهمنهی کوانتومی چیست؟
در فیزیک کلاسیک، یک سکه پیش از افتادن یا شیر است یا خط؛ فقط ما هنوز نتیجه را نمی‌دانیم. در فیزیک کوانتومی، وضعیت یک ذره یا کیوبیت را می‌توان با ترکیبی از حالتهای ممکن توصیف کرد. این ترکیب «برهمنهی» نام دارد و تا پیش از اندازهگیری، بخشی واقعی از توصیف ریاضی سامانه است، نه صرفاً ناآگاهی ما.
برای یک کیوبیت، این حالت معمولاً به شکل α|۰⟩ + β|۱⟩ نوشته میشود. α و β ضرایبی هستند که دامنهٔ احتمال را مشخص می‌کنند و باید طوری باشند که مجموع احتمال‌های حاصل از آنها برابر یک شود. اگر کیوبیت اندازهگیری شود، نتیجهٔ صفر یا یک خواهد بود و احتمال هر نتیجه از مربع اندازهٔ دامنهٔ مربوط به آن به دست می‌آید.
هنگام اندازهگیری چه اتفاقی می‌افتد؟
اندازهگیری، برهمنهی را به یکی از نتیجه‌های ممکن تبدیل می‌کند؛ در زبان رایج گفته میشود حالت کوانتومی «فرو می‌ریزد». اگر آزمایش دقیقاً یک بار انجام شود، فقط یک خروجی می‌بینیم، اما با تکرار آزمایش روی کیوبیت‌هایی که به شکل یکسان آماده شده‌اند، می‌توان الگوی آماری احتمال‌ها را مشاهده کرد.
نکتهٔ مهم این است که کامپیوتر کوانتومی از خودِ دیدن چند نتیجه به‌طور همزمان سود نمی‌برد. پس از اندازهگیری نیز معمولاً فقط یک پاسخ در دسترس است. طراحی الگوریتم باید به‌گونه‌ای باشد که دامنهٔ پاسخ‌های مطلوب تقویت و دامنهٔ پاسخ‌های نامطلوب تضعیف شود؛ این فرایند را با مفهوم تداخل کوانتومی می‌توان توضیح داد.
برهمنهی چگونه به رایانش کوانتومی کمک می‌کند؟
بیت معمولی در هر لحظه صفر یا یک است، اما کیوبیت می‌تواند در ترکیبی از این دو حالت قرار بگیرد. چند کیوبیت نیز با هم فضای حالت بسیار بزرگی می‌سازند؛ با این حال، این موضوع به‌تنهایی به معنی امتحان‌کردن همهٔ جواب‌ها و خواندن همهٔ آنها نیست. اندازهگیری اطلاعات محدودی به ما می‌دهد و الگوریتم باید از تداخل برای رسیدن به نتیجهٔ مفید استفاده کند.
یک روند ساده در پردازش کوانتومی چنین مراحلی دارد:
- کیوبیتها در یک حالت آغازین آماده می‌شوند.
- گیت‌های کوانتومی دامنهٔ حالتهای مختلف را تغییر می‌دهند.
- تداخل، احتمال برخی مسیرها را بیشتر و احتمال برخی دیگر را کمتر می‌کند.
- با اندازهگیری، یک خروجی کلاسیک به دست می‌آید و نتیجه چند بار بررسی میشود.
بنابراین برهمنهی به خودی خود تضمین نمی‌کند هر مسئله‌ای سریع‌تر حل شود. مزیت احتمالی فقط در الگوریتم‌ها و مسئله‌هایی پدیدار میشود که ساختارشان با عملیات کوانتومی سازگار باشد.
کاربردهای برهمنهی کوانتومی کدام‌اند؟
شبیهسازی مولکولها و مواد
مولکولها و مواد در مقیاس اتمی از قوانین کوانتومی پیروی می‌کنند. رایانه‌های کوانتومی می‌توانند در آینده برای مدل‌سازی برخی حالتهای الکترونی، واکنش‌های شیمیایی و مواد تازه مناسب باشند؛ حوزه‌ای که شبیهسازی دقیق آن با رایانه‌های معمولی در بعضی موارد بسیار پرهزینه است.
حل برخی مسائل محاسباتی
الگوریتم‌های کوانتومی برای طیف محدودی از مسئله‌ها طراحی شده‌اند؛ از جست‌وجو و پردازش ساختارهای ریاضی گرفته تا بعضی مسائل بهینهسازی. سرعت بهتر در هر مسئله‌ای تضمین‌شده نیست و بسیاری از راهکارهای پیشنهادی هنوز در مرحلهٔ پژوهش یا آزمایش هستند.
حسگرها و اندازه‌گیری‌های دقیق
حالتهای کوانتومی حساس می‌توانند تغییرات بسیار کوچک در میدان مغناطیسی، زمان، شتاب یا گرانش را آشکار کنند. در این کاربرد، هدف معمولاً نگه‌داشتن و کنترل دقیق برهمنهی است تا تغییر کوچک محیط، اثر قابل اندازهگیری ایجاد کند.
ارتباطات و رمزنگاری کوانتومی
برهمنهی در کنار اندازهگیری کوانتومی و درهمتنیدگی، در برخی پروتکل‌های ارتباط امن نقش دارد. این فناوری با رمزنگاری رایج یکسان نیست و برای استفادهٔ گسترده به تجهیزات تخصصی، کانال‌های ارتباطی مناسب و استانداردهای قابل اعتماد نیاز دارد.
چرا حفظ برهمنهی دشوار است؟
کیوبیت باید از محیط اطراف تا حد ممکن جدا بماند. گرما، لرزش، تابش، میدان‌های ناخواسته و حتی برخورد با ذرات دیگر می‌توانند اطلاعات کوانتومی را تغییر دهند یا از بین ببرند؛ پدیده‌ای که واهمدوسی نام دارد.
به همین دلیل بسیاری از سامانههای کوانتومی به سرمایش شدید، محافظت در برابر نویز و روش‌های تصحیح خطا نیاز دارند. تصحیح خطای کوانتومی نیز ساده نیست، چون اندازهگیری مستقیم می‌تواند خودِ حالت مورد نظر را مختل کند. این محدودیت یکی از دلایلی است که فاصلهٔ میان نمونه‌های آزمایشگاهی و رایانهٔ کوانتومی کاربردی هنوز قابل توجه است.
تفاوت برهمنهی با ندانستن وضعیت چیست؟
اگر بدانیم یک کارت رو به پایین است اما از مقدار آن خبر نداشته باشیم، کارت در یکی از حالتهای مشخص قرار دارد و ناآگاهی ما آن را در برهمنهی قرار نمی‌دهد. در برهمنهی کوانتومی، دامنه‌های احتمال می‌توانند با هم تداخل کنند و نتیجهٔ آزمایش را تغییر دهند؛ اثری که با یک احتمال‌پردازی معمولی قابل توضیح کامل نیست.
برهمنهی همچنین با درهمتنیدگی یکی نیست. یک کیوبیت می‌تواند در برهمنهی باشد، بدون آنکه با کیوبیت دیگری درهم‌تنیده شده باشد؛ درهمتنیدگی به ارتباط خاص میان چند سامانه مربوط است.
جمع‌بندی: برهمنهی کوانتومی توصیف حالتی است که در آن یک سامانه پیش از اندازهگیری ترکیبی از چند حالت ممکن دارد. ارزش عملی آن در کنترل دامنه‌ها و ایجاد تداخل است، نه در خواندن همزمان چند پاسخ. از رایانش و شبیهسازی کوانتومی تا حسگرهای دقیق، این ویژگی ظرفیت مهمی دارد؛ اما شکنندگی کیوبیتها و دشواری تصحیح خطا باعث شده بسیاری از کاربردها هنوز در مرحلهٔ توسعه باشند.
