فیزیک کوانتومی به چه درد می‌خورد؟

چندی پیش دوستی از من در مورد ارتباط فیزیک کوانتومی و کامپیوترهای کوانتومی پرسید. قبلا هم با سوالهای مشابه برخورد کرده بودم که شاید ناشی از اقبال روزافزون به فیزیک مدرن است یا شاید هم تردید در مورد کاربرد آن. تصمیم گرفتم در آستانه صد و بیست سالگی فیزیک کوانتوم، بررسی کنم که یافته‌های نظری آن چگونه وارد زندگی روزمره ما شده است.
 
کامپیوتر، تلفن هوشمند، تبلت، همگی از ترازیستور برای پردازش اطلاعات استفاده می کند. سازوکار ترانزیستور در اساس یک پدیده کوانتومی است. ما از فیزیک کوانتومی یاد گرفته‌ایم که الکترون هم خاصیت ذره‌ای هم خاصیت موجی دارد. الکترونی که دور هسته اتم می‌چرخد به زبان کوانتومی موجی است که فضای دور هسته را احاطه کرده. سرعت و مسیر این موج، خواص هر عنصری را تعیین می‌کند از جمله این که رسانا هست یا نه؛ مثلا ما می‌توانیم سرعت و مسیر این موج را دور اتم سیلیسیم (سیلیکون) اندکی دستکاری و با افزودن ناخالصی یا تحریک الکتریکی، سیلیسیوم را از نارسانا به رسانا یا برعکس تبدیل کنیم. این کار همان ساختن صفر و یک است که دنیای دیجیتال را بنا کرده.
ما میلیاردها ترانزیستور در ابعاد نانومتر را کنار هم چیده‌ایم و لایه لایه روی هم گذاشته‌ایم تا پردازشگرها را بسازیم. از پرسرعت‌ترین ابرکامپیوترها، پیشرفته‌ترین اتومبیل ها و جدیدترین تلفن های همراه گرفته تا لامپ‌های کم مصرف و کنترل از راه دور تلویزیون و اسباب بازی‌های الکترونیکی همگی از ترازیستور استفاده می‌کنند.
تونل‌زنی کوانتومی
ما در حافظه فلش از پدیده ای به نام تونل‌زنی کوانتومی برای پاک کردن کل اطلاعات استفاده می‌کنیم. نه تنها در فلش بلکه در کلیدهای ساده چراغ برق هم تصادفا این پدیده به کمک ما آمده است.
 
در تونل‌زنی کوانتومی، الکترون می‌تواند از خلال یک لایه نازک نارسانا به اصطلاح "تونل زده" و عبور کند. این پدیده با فیزیک کلاسیک قابل توضیح نیست چون نتیجه رفتار کوانتومی ذره است. در کلید چراغ برق، الکترون لایه چند نانومتری اکسید فلز روی دو لبه رسانای کلید را "نادیده" می‌گیرد و از آن "رد" می‌شود و چراغ روشن می‌شود.
 
برای پاک کردن حافظه‌ فلش، اگر میدان الکتریکی کافی به تمام ترانزیستورهای داخلش بدهیم، در واقع با تونل زنی کوانتومی همه آنها را به اجبار به حالت "یک" درآورده‌ایم؛ یعنی همه اطلاعات پاک شده است. تونل زنی کوانتومی در کنار کاربرد مفید، اثر مخرب هم دارد. این پدیده در ریزپردازنده‌ها و پردازنده‌های سرعت بالا باعث اتصال کوتاه می‌شود در نتیجه تمام یا بخشی از دستگاه الکترونیکی از کار می‌افتد یا داغ می‌شود.
جی.پی.اس سیستم موقعیت یاب جهانی (جی.پی.اس) هم به فیزیک کوانتومی محتاج است. ابزارهای مسیریابی این روزها در هر تلفن هوشمندی هست و ما روزانه برای یافتن آدرس از آن استفاده می‌کنیم. پشت پرده این ابزارها مجموعه‌ای از ماهواره‌ها و ساعت‌های اتمی قرار دارند که امکان موقعیت یابی را فراهم می‌آورند. برای این کار لازم است که مسیریاب ما از چند ماهواره موقعیت‌یاب، سیگنال دریافت کند. این سیگنال حاوی این اطلاعات است: موقعیت دقیق ماهواره در لحظه مخابره و زمان دقیق آن. با دانستن مدت زمان سفر سیگنال و سرعت آن که مساوی با سرعت نور است، فاصله ما از ماهواره معلوم می‌شود. ابزار موقعیت‌یاب، محاسبات هندسی را برای مجموعه ماهواره‌ها انجام می‌دهد و نقطه اشتراک آنها را که موقعیت ماست اعلام می‌کند البته به شرطی که همه این ساعت‌ها باهم کار کنند که البته همینطور هم هست، ساعت‌های داخل ماهواره‌ها با هم و با یک ساعت روی زمین همزمان شده‌اند. این ساعت‌ها باید بتوانند پیوسته و دقیق کار کنند؛ امکانی که ساعت اتمی فراهم کرده است. نحوه کار ساعت اتمی هم برگرفته از فیزیک کوانتومی است. یک ثانیه برابر ۹,۱۹۲,۶۳۱,۷۷۰ بار نوسان موج مایکروویوی است که بتواند الکترون را در اتم سزیوم برانگیخته کند و از یک تراز انرژی کوانتومی به تراز دیگر ببرد. پس اگر جایی برای یافتن آدرس سردرگم بودید و مسیریاب تلفن هوشمند به کمکتان آمد، کار، کار فیزیک کوانتوم بوده است.
لیزر در ایران هر روز بیش از ۲۱ میلیون نفر از تلگرام برای فرستادن پیام به دوستان خود استفاده میکنند. زمانی که لازم است تا یک پیام متنی از گوشی شما به گوشی مخاطبتان برسد بسیار ناچیز است در حالی که مسیر دور و درازی طی می‌کند حتی اگر فرستنده و گیرنده در یک اتاق باشند: گوشی شما، مرکز مخابرات، مراکز اینترنتی واسطه در کشورهای همسایه، یکی از سرورهای تلگرام در جاهای مختلف دنیا، برگشت به مسیر اینترنتی منتهی به مخاطب، مرکز مخابرات مخاطب و گوشی مخاطب.
 
تمام این اطلاعات از راه شبکه‌های فیبر نوری رد و بدل می‌شود. فیبر نوری مثل کابل برق ولی برای انتقال سیگنال نور است. اما نور معمولی برای این کار مناسب نیست. نور معمولی یا نور سفید مجموعه‌ای از رنگ‌های (طول موج) گوناگون است؛ مثل نور خورشید که بعد از گذشتن از ذرات ریز باران تجزیه شده و به شکل رنگین کمان در می‌آید. طول موج‌های نور معمولی فازهای مختلف دارند بنابراین یکدیگر را تخریب کرده و در فواصل طولانی تضعیف می‌شوند. اینجا هم فیزیک کوانتومی بصورت لیزر به کمک ما آمده است؛ لیزر یعنی نور تک فامی که تنها یک طول موج دارد و می‌تواند سیگنال‌های پر توان تولید کند. اساس کار لیزر "گسیل تحریکی" است؛ پدیده‌‍‌ای کوانتومی که در آن یک فوتون با طول موج مشخص با یک الکترون برانگیخته برخورد می‌کند و بر اثر این برخورد، الکترون از حالت برانگیخته خارج می‌شود که در نتیجه آن یک فوتون دیگر با خواص یکسان تشکیل شده و به فوتون اول ملحق و به این ترتیب سیگنال تقویت می‌شود. اگر نگاهی به لیست کاربردهای لیزر بیاندازید، موارد آشنای دیگری هم پیدا می‌کنید: پرینتر لیزری، دستگاه سی‌دی خوان، بارکد خوان و البته دوربین‌های کنترل سرعت.
پزشکی رد پای کاربرد کوانتوم در پزشکی هم کم نیست: عمل جراحی لیزیک، ام آر آی، پرتو درمانی و غیره. لیزر در درمان تومورهای سرطانی کاربرد وسیع دارد. در این روش ذرات باردار (یونیزه) مثل پروتون به سوی توده سرطانی فرستاده می‌شوند. ذره در نقطه هدف انرژی خود را آزاد می‌کند که باعث آسیب به DNA سلول سرطانی می‌شود و نهایتا آن را از بین می‌برد. این ذرات باردار در دستگاه‌های شتاب‌دهنده ایجاد می‌شوند و به اندازه‌ای که به دقت محاسبه شده به داخل بدن بیمار تابانده می‌شوند. فیزیکدانان مقدار انرژی لازم برای یونیزه کردن یک ذره را از روی تابع موج کوانتومی ذره محاسبه می‌کنند.
 
اگرچه فیزیک کوانتومی شامل مفاهیم مجرد و معادلات ریاضی پیچیده است ولی کاربرد آن زندگی ما را تغییر داده است و امکانات جدیدی فراهم کرده که بدون شناخت رفتار کوانتومی انرژی و ماده شدنی نبود. دانشی که هنوز راه درازی برای گسترش دارد و باید به استفاده های بیشتر آن در آینده امیدوار بود.