🔸 The Quantum Dawn🔸

🔹 قسمت ششم : ذره یا موج؛ انقلاب دوبروی

⚛️ در ششمین قسمت از مجموعه "The Quantum Dawn"، سراغ یکی از زیباترین و در عین حال جسورانه‌ترین ایده‌های دنیای فیزیک می‌رویم؛ جایی که لویی دوبروی با الهام از "تقارن های بنیادین در طبیعت"، تصور ما را از ماهیت تمام ذرات برای همیشه تغییر داد.


💎تا به اینجا آموختیم که نوابغی چون پلانک و اینشتین ثابت کردند نور، که پیش‌تر یک موج پنداشته می‌شد، می‌تواند رفتاری ذره‌ای داشته باشد. اما در سال ۱۹۲۴، یک شاهزاده فرانسوی به نام لویی دوبروی در رساله دکترای خود پرسشی جالب اما عجیب و برخلاف شهود مطرح کرد: "اگر نور (امواج الکترومغناطیسی) می‌تواند رفتار ذره‌ای داشته باشد، آیا ذرات شناحته شده در فیزیک مانند الکترون ها هم می‌توانند رفتار موجی داشته باشند؟"

💡دوبروی با یک جسارتِ مثال‌زدنی، فرمولی را روی کاغذ آورد که دنیای فیزیک را بهت‌زده کرد. او با ترکیب مفاهیم نسبیت و کوانتوم نشان داد که هر ذره‌ای که حرکت می‌کند، یک "موجِ مادی" با خود به همراه دارد. رابطه‌ی او به زبان ساده این بود:

λ = h / m v
• λ : سرعت
• h : ثابت پلانک
• m : جرم جسم


این فرمول بیان می‌کند که هرچه جرم یک جسم یا سرعت آن بیشتر باشد، طول‌موجش کوتاه‌تر خواهد بود.

⚽️ شاید بلافاصله بپرسید: "پس چرا وقتی یک توپ فوتبال را شوت می‌کنیم خاصیت موجی از آن نمیبینیم؟"
پاسخ در مقدار بی‌نهایت کوچک ثابت پلانک(h) نهفته است. در دنیای ما که اجسام جرم زیادی دارند، طول‌موج همراه آن‌ها به قدری کوچک می‌شود (در حدود ده به توان منفی ۳۴ متر) که عملاً با هیچ ابزاری قابل مشاهده نیست و توپ کاملاً شبیه یک "ذره کلاسیک" رفتار می‌کند. در واقع، هیچ مانعی در دنیای ما آن‌قدر ریز نیست که بتواند این موجِ فرامیکروسکوپی را به چالش بکشد تا پدیده های شناخته شده امواج مانند پراش یا تداخل را در این دست از اجسام ماکروسکوپی شاهد باشیم.

🔬 اما در دنیای اتم‌ها، شرایط کاملاً فرق می‌کند. الکترون به قدری سبک است که طول‌موجش بزرگ شده و تقریباً هم‌اندازه با فاصله‌ی بین اتم‌ها می‌شود. در اینجاست که الکترون دیگر شبیه یک گلوله کوچک و کلاسیک عمل نمی‌کند؛ بلکه مانند یک موج در فضا پخش می‌شود، از چند شکاف به طور همزمان عبور میکند، از لبه های متناسب با طول موج خود پراش می‌یابد و شگفت انگیز تر اینکه یک الکترون منفرد با خودش تداخل می‌کند! جالب است بدانید که این ادعای عجیب و دور از انتظار، تنها چند سال بعد با آزمایش‌های پراشِ الکترون کاملاً اثبات شد و نشان داد که الکترون‌ها واقعاً میتوانند هویت موجی داشته باشند.

🧩 جالب‌تر اینکه این ایده، همان تکه‌ی گمشده‌ی پازل نیلز بور بود. دوبروی توضیح داد که چرا الکترون‌ها فقط در مدارهای خاصی دور هسته می‌چرخند؛ چون فقط در آن مدارها، موجِ الکترون می‌تواند بدون اینکه خودش را خنثی کند، به صورت یک "موج ایستاده" در حالت پایدار باقی بماند.(مانند ارتعاش یک سیم گیتار با دو سر ثابت)
با این کشف، اتم دیگر یک منظومه‌ی شمسی مینیاتوری نبود؛ در این نگرش اتم بیشتر شبیه یک "ساز موسیقی" بودند که الکترون‌ها نت‌های لرزان آن بودند.

🛰 این انقلاب فکری، راه را برای شرودینگر هموار کرد تا فرمول‌بندی مکانیک موجی را به عنوان ابزاری نوین، دقیق‌ و کارآمد به دنیای کوانتوم ارائه کند.


#TheQuantumDawn
@QUSTmedia

🌌اخبار کوانتومی

🔷 مقابله با نشت در محاسبات کوانتومی؛ گامی مهم برای تصحیح خطا


یکی از چالش‌های جدی در سخت‌افزارهای کوانتومی، پدیده‌ای به نام نشت (Leakage) است؛ حالتی که در آن کیوبیت از فضای محاسباتی دوحالته |0⟩ و |1⟩ خارج شده و وارد ترازهای انرژی بالاتر می‌شود. برخلاف خطاهای معمول، نشت می‌تواند پایدار باقی بماند و چرخه‌های تصحیح خطا را به‌صورت زنجیره‌ای مختل کند.


⚙️ مشکل اصلی نشت در تصحیح خطا
کدهای متداول تصحیح خطای کوانتومی فرض می‌کنند که کیوبیت‌ها همیشه در فضای محاسباتی باقی می‌مانند. اما در حضور نشت، کیوبیت «خراب» می‌تواند:
- اندازه‌گیری‌های بعدی را آلوده کند
- خطا را به کیوبیت‌های مجاور منتقل کند
- و عملاً کل بلاک تصحیح خطا را بی‌اثر سازد
به همین دلیل، نشت یکی از موانع کلیدی در مسیر محاسبات کوانتومی مقیاس‌پذیر محسوب می‌شود.


🧠 راهکار: سرکوب نمایی نشت
در این پژوهش، یک گجت ضدنشت معرفی شده است. ایده این است که به‌جای اتکا به یک کیوبیت فیزیکی، هر کیوبیت منطقی با k کیوبیت نشت‌پذیر پیاده‌سازی شود.
این کیوبیت‌ها طوری با هم ترکیب می‌شوند که:

اگر حداقل یکی از آن‌ها نشت نکرده باشد
خروجی نهایی حتماً در فضای محاسباتی باقی بماند

نتیجه: احتمال نشت خروجی به‌صورت نمایی با k کاهش می‌یابد.


📈 مزیت مهم معماری
- سربار اضافی برای کنترل‌گر سیستم بسیار کم است.
- پیچیدگی ارتباطی فقط لگاریتمی با دقت موردنظر رشد می‌کند.
- روش پیشنهادی با معماری‌های تصحیح خطای موجود سازگار است.
این یعنی کنترل نشت بدون انفجار هزینه‌ی منابع.


🧩 نتیجه نظری
قضیه آستانه با نشت این کار نشان می‌دهد که حتی در حضور نشت، همچنان می‌توان به یک آستانه خطا (Threshold) معتبر رسید.
اگر نرخ خطا و نشت هر دو زیر این آستانه باشند:
- محاسبات کوانتومی بزرگ‌مقیاس قابل انجام است.
- خطاهای منطقی به‌طور نمایی سرکوب می‌شوند.
- سیستم از نظر نظری و عملی پایدار باقی می‌ماند.


🌍 این پژوهش نشان می‌دهد که نشت الزاماً یک «بن‌بست فیزیکی» نیست، بلکه با طراحی هوشمندانه‌ی پروتکل‌ها و معماری، می‌توان آن را به یک خطای قابل‌کنترل تبدیل کرد. چنین پیشرفت‌هایی، مسیر گذار از پردازنده‌های آزمایشگاهی به کامپیوترهای کوانتومی صنعتی را هموارتر می‌کنند.


🔗لینک به منبع

#‌Qnews
@QUSTmedia

✨Quantum X Experiment✨

تجربه‌ی مفاهیم کوانتومی، در آزمایشگاه برای نخستین‌بار در ایران!

آموزش مفاهیم پایهٔ کوانتومی و اپتیک کوانتومی
به ‌همراه آزمایش واقعی برای ایجاد درک عمیق از مفاهیم!

🔹 ویژه دانشجویان کارشناسی (سال سوم به بعد) و تحصیلات تکمیلی فیزیک
🔹 سطح دوره: متوسط
🔹 شامل آموزش تئوری + آزمایش عملی
🔹 همراه با گواهی رسمی از دانشگاه علم و صنعت ایران
🔹هزینه: ۱.۷۰۰.۰۰۰تومان برای کلیه دانشجویان
⭕️۱.۴۵۰.۰۰۰ برای دانشجویان دانشگاه علم و صنعت

برای اطلاعات بیشتر در کانال انجمن علمی کوانتوم عضو شوید:
@QUSTmedia

🔷 معرفی دوره Quantum X Experiment

این دوره با هدف ایجاد درک عمیق و کاربردی از مفاهیم پایهٔ کوانتوم و اپتیک کوانتومی طراحی شده است؛ دوره‌ای که تئوری های پیچیده کوانتمی را به آزمایشگاه واقعی متصل می‌کند!

در این برنامه، شرکت‌کنندگان ابتدا با مبانی اپتیک کوانتومی و چارچوب نظری آزمایش‌ها آشنا می‌شوند و سپس طی جلسات آزمایشگاهی، مفاهیم آموخته‌شده را به‌صورت عملی تجربه خواهند کرد.

این دوره با استفاده از کیت آزمایشگاهی تخصصی برگزار می‌شود که نمونهٔ مشابه آن در حال حاضر در هیچ مجموعهٔ آموزشی دیگری در ایران وجود ندارد و برای اولین بار در این برنامه به منظور ایجاد درک عمیق از مفاهیم پیچیده کوانتمی استفاده خواهد شد.

📅 زمان‌بندی دوره:

🔹 یکشنبه ۷ دی- ساعت 13 الی 16
مبانی اپتیک کوانتومی
👤 مدرس:آقای دکتر محمد واحدی
عضو هیئت علمی دانشگاه علم و صنعت ایران
رئیس مرکز پژوهش و فناوری شبکه‌های کوانتومی دانشگاه علم و صنعت

🔹 دوشنبه ۸ دی-ساعت 16 الی 19
تئوری آزمایش‌ها
👤 مدرس: خانم دکتر سحر سهرابی

🔹 سه‌شنبه ۹ و چهارشنبه ۱۰ دی-ساعت 9 الی 16
آزمایشگاه عملی (Quantum Optics Experiments)
مدرس: آقای مهندس فرشید جمشیدی

🎯 مخاطبان دوره:
دانشجویان کارشناسی (سال سوم به بعد) و تحصیلات تکمیلی فیزیک
سطح دوره: متوسط

🎓 گواهی پایان دوره:
گواهی رسمی از دانشگاه علم و صنعت ایران

🔹هزینه:
۱.۷۰۰.۰۰۰تومان برای کلیه دانشجویان
۱.۴۵۰.۰۰۰ برای دانشجویان دانشگاه علم و صنعت

همچنین توجه فرمایید که دوره به صورت حضوری در دانشگاه علم و صنعت برگزار خواهد شد.

📌 لینک ثبت نام دوره:
https://survey.porsline.ir/s/63nzoC0q

داوطلبان ثبت نام در دوره
🔴Quantum x Experiment🔴

لطفاً از طریق لینک زیر اقدام به ثبت نام کرده و توجه فرمایید که ظرفیت دوره بسیار بسیار محدود بوده و اولویت با دوستانی است که زودتر ثبت نام کنند🙏

https://survey.porsline.ir/s/63nzoC0q

🔴ظرفیت دوره تکمیل شد.

دوستان عزیزی که متقاضی شرکت در دوره بودند اما پیامی از طرف ما دریافت نکردند یا فرصت ثبت نام نداشتند، نگران نباشید!
در هفته اول بهمن ماه، همین دوره تکرار خواهد شد و اطلاع‌ رسانی آن در همین کانال انجام خواهد گرفت.
با تشکر از استقبال پرشور شما🙏

@QUSTmedia

🔸The Quantum Age🔸

🔹 قسمت ششم: برتری کوانتومی از کجا می‌آد؟ (Quantum Speedup)


🌐 تا اینجا دیدیم کیوبیت چیه، چطور با هم درهم‌تنیده می‌شن، چطور مدار می‌سازیم، اندازه‌گیری می‌کنیم و با نویز می‌جنگیم. اما یک سؤال اساسی هنوز بی‌جوابه، اصلاً چرا انتظار داریم کامپیوتر کوانتومی از کلاسیک قوی‌تر باشه؟

💡 توی قسمت ششم سری The Quantum Age می‌خوایم دقیقاً به همین سؤال جواب بدیم؛ نه با شعار «محاسبه‌ی هم‌زمان»، بلکه با نگاه دقیق‌تر به این‌که منبع واقعی سرعت در کوانتوم چیه.


🧠 یک سوءتفاهم رایج
خیلی وقت‌ها گفته می‌شه «کامپیوتر کوانتومی همه‌ی حالت‌ها رو هم‌زمان امتحان می‌کنه.»این جمله گمراه‌کننده‌ست.چون در نهایت، ما فقط یک نتیجه اندازه‌گیری می‌کنیم.اگه همه‌چیز فقط موازی‌سازی بود، با یک اندازه‌گیری همه‌چیز از دست می‌رفت.
پس سرعت کوانتومی از جای دیگه‌ای می‌آد.


🔍 منبع اصلی برتری کوانتومی قدرت واقعی کوانتوم از سه ایده‌ی به‌هم‌پیوسته می‌آد:

1️⃣ فضای حالت نمایی
یک سیستم با n کیوبیت، در فضایی با 2ⁿ حالت پایه زندگی می‌کنه. اما مهم‌تر از تعداد حالت‌ها، اینه که دامنه‌های این حالت‌ها می‌تونن با هم تداخل کنن.

2️⃣ تداخل سازنده و مخرب
گیت‌های کوانتومی فقط حالت‌ها رو تولید نمی‌کنن؛ اونا مسیرهای محاسباتی رو طوری هدایت می‌کنن که مسیرهای منتهی به جواب درست تقویت بشن، مسیرهای منتهی به جواب غلط حذف یا تضعیف بشن.این دقیقاً چیزی‌ه که در محاسبات کلاسیک وجود نداره.

3️⃣ درهم‌تنیدگی به‌عنوان منبع غیرکلاسیک
در سیستم‌های درهم‌تنیده، اطلاعات به‌صورت محلی ذخیره نشده. کل سیستم «با هم» معنا پیدا می‌کنه. این ساختار، امکان الگوریتم‌هایی رو می‌ده که هیچ توصیف کلاسیکی فشرده‌ای ندارن.


⚖️ کوانتوم همیشه سریع‌تر نیست
یک نکته‌ی مهم و صادقانه: بیشتر مسائل با کامپیوتر کوانتومی سریع‌تر حل نمی‌شن.
برای بسیاری از کارها مثل شبیه‌سازی ساده، محاسبات عددی معمول، پردازش‌های روزمره کامپیوتر کلاسیک همچنان بهترین انتخابه.
برتری کوانتومی فقط در مسائلی ظاهر میشه که ساختار ریاضی خاص دارن، فضای حالتشون نماییه و الگوریتم بتونه از تداخل به‌درستی استفاده کنه.


🧪 دو مثال شاخص (در حد ایده، نه فرمول)

🔹 الگوریتم Grover
برای جست‌وجو در یک فضای نامرتب. کوانتوم به‌جای امتحان تک‌تک گزینه‌ها، با تداخل، احتمال گزینه‌ی درست رو مرحله‌ به‌ مرحله تقویت می‌کنه.

🔹 الگوریتم Shor
برای فاکتورگیری عددهای بزرگ. این الگوریتم از ساختار دوره‌ای مسائل عددی استفاده می‌کنه؛چیزی که کوانتوم به‌صورت طبیعی می‌تونه نمایشش بده، ولی برای کلاسیک بسیار پرهزینه‌ست.

نکته‌ی کلیدی اینه که سرعت این الگوریتم‌ها «جادویی» نیست؛ کاملاً به طراحی مدار و استفاده‌ی دقیق از فیزیک کوانتوم وابسته‌ست.


🚀 چرا این بحث مهم‌تر از خود الگوریتم‌هاست؟
چون بدون درک منبع برتری انتظارهای غیرواقعی از کوانتوم شکل می‌گیره، کاربردهای اشتباه تبلیغ می‌شن و ناامیدی زودهنگام به وجود می‌آد
فهم Quantum Speedup یعنی بدونیم کوانتوم قرار نیست جای کلاسیک رو بگیره؛
بلکه قراره در جای درست، کار درست رو انجام بده.


پس در این قسمت فهمیدیم که برتری کوانتومی نه از «امتحان هم‌زمان همه‌چیز»،
بلکه از مهندسی هوشمندانه‌ی احتمال‌ها می‌آد.
وقتی یاد بگیریم چطور تداخل ودرهم‌تنیدگی رو هدایت کنیم،اون‌وقته که کوانتوم واقعاً کاری می‌کنه که کلاسیک از پسش برنمی‌آد.


#TheQuantumAge
@QUSTmedia

🌌اخبار کوانتومی

🔹شرکت Xanadu چارچوب محاسبات کوانتومی جدیدی برای تسریع درمان فوتودینامیکی سرطان معرفی کرد.

شرکت Xanadu یک چارچوب محاسبات_کوانتومی جدید معرفی کرده است که هدف آن تسریع فرایند کشف حساس گرهای نوری (photosensitizers) پیشرفته برای درمان فوتودینامیکی سرطان است.

💡این پژوهش که به‌صورت پیش‌چاپ در arXiv منتشر شده، نشان می‌دهد چگونه کامپیوترهای کوانتومی مقاوم در برابر خطا و الگوریتم‌های شبیه‌سازی کوانتومی می‌توانند خواص فیزیکی کلیدی حساس‌گرهای نوری را مدل‌سازی کنند؛ خواصی که مطالعه آن‌ها با روش‌های کلاسیک بسیار پرهزینه و زمان‌بر است.
با شبیه‌سازی ویژگی‌هایی مانند جذب نور و نرخ گذار بین‌سیستمی برای چند مولکول پیچیده، این چارچوب نشان می‌دهد که محاسبات کوانتومی می‌تواند دقت و کارایی طراحی حساس‌گرهای نوری را به‌طور قابل توجهی افزایش داده و وابستگی به سنتزهای آزمایشگاهی پرهزینه را کاهش دهد.

🧪این پژوهش یک نقشه راه عملی برای یک گردش کاری مبتنی بر محاسبات کوانتومی در کشف_دارو ارائه می‌دهد و شامل برآورد منابع محاسباتی کوانتومی موردنیاز و مزیت‌های بالقوه از نظر سرعت و کارایی نسبت به شبیه‌سازی‌های کلاسیک است.
اگرچه این کار هنوز در مرحله‌ای پایه‌ای قرار دارد، اما گامی مهم در جهت کاربرد عملی محاسبات کوانتومی در توسعه دارو و تحقیقات درمان_سرطان محسوب می‌شود و برنامه‌هایی برای گسترش این چارچوب به مولکول‌های پیچیده‌تر نیز در نظر گرفته شده است.

🏢در کنار این دستاورد علمی، شرکت Xanadu اعلام کرده است که با شرکت Crane Harbor Acquisition Corp وارد یک ترکیب تجاری شده است. انتظار می‌رود شرکت جدید با نام Xanadu Quantum Technologies Limited حدود ۵۰۰ میلیون دلار آمریکا سرمایه جذب کند و سهام آن در هر دو بورس نزدک و بورس تورنتو عرضه شود؛ اقدامی که می‌تواند رشد این شرکت در حوزه محاسبات_کوانتومی_فوتونیکی و پژوهش‌های کاربردی کوانتومی را تقویت کند.


🔗لینک به منبع

#Qnews
@QUSTmedia

🌌 اخبار کوانتومی

🔹 اینترنت کوانتومی جهانی
شکستن سد جوی برای ارسال سیگنال از زمین به فضا

یکی از بزرگ‌ترین موانع در راه‌اندازی اینترنت کوانتومی جهانی، غلبه بر تلاطم جوی بوده است. تا پیش از این هفته، تصور غالب بر این بود که ارسال سیگنال‌های کوانتومی حساس از زمین به ماهواره‌ها عملاً غیرممکن یا بسیار ناپایدار است و تنها مسیر معکوس (از فضا به زمین) قابلیت اجرا دارد.
اما پژوهشگران دانشگاه فناوری سیدنی (UTS) در روزهای اخیر این باور را تغییر دادند .


⚠️ چالش اصلی: دیوار نامرئی جو اتمسفر زمین مانند یک لنز کدر و متلاطم عمل می‌کند. وقتی فوتون‌های حامل اطلاعات کوانتومی از زمین به سمت فضا شلیک می‌شوند، برخورد با لایه‌های هوا باعث رخ دادن عوامل زیر می‌شود:
- پراکندگی شدید سیگنال
- از بین رفتن درهم‌تنیدگی (Entanglement)
- افت کیفیت اطلاعات پیش از رسیدن به ماهواره

به همین دلیل، طرح‌های قبلی مجبور بودند ماهواره‌های بسیار پیچیده و گران‌قیمت بسازند که خودشان تولیدکننده سیگنال باشند و آن را به زمین ارسال کنند.


🛠️ راهکار: اپتیک تطبیقی هوشمند (Adaptive Optics)
در این دستاورد جدید، از فناوری پیشرفته اپتیک تطبیقی استفاده شده است؛ فناوری‌ای که پیش‌تر در تلسکوپ‌های عظیم نجومی به‌کار می‌رفت .

این سیستم به شکل زیر عمل می‌کند:
۱. یک لیزر راهنما تلاطم جو را به‌صورت لحظه‌ای اندازه‌گیری می‌کند.
۲. آینه‌های تغییرشکل‌دهنده روی زمین، اعوجاج نوری را دقیقاً معکوس می‌کنند.
۳. سیگنال کوانتومی «تصحیح‌شده» به فضا ارسال می‌شود و سالم به گیرنده ماهواره‌ای می‌رسد.

💡 مزیت کلیدی معماری
- کاهش هزینه
- افزایش قدرت این تغییر جهت


این تغییر جهت (ارسال از زمین به فضا) مزایای راهبردی مهمی دارد:

🛰️ سادگی ماهواره‌ها
دیگر نیازی نیست ماهواره‌ها کامپیوترهای کوانتومی پرنده باشند؛ آن‌ها فقط نقش گیرنده یا آینه را دارند.

🖥️ قدرت پردازش زمینی
تجهیزات پیچیده تولید لیزر و پردازش کوانتومی روی زمین باقی می‌مانند؛
جایی که محدودیت وزن، انرژی و تعمیر وجود ندارد.

💸 کاهش چشمگیر هزینه‌ها
ماهواره‌های سبک‌تر = پرتاب ارزان‌تر = شبکه جهانی مقرون‌به‌صرفه‌تر.


✅ نتیجه عملی پژوهش
این تحقیق نشان می‌دهد که:
- برقراری ارتباط کوانتومی امن (QKD) با ماهواره‌های مدار پایین زمین (LEO) کاملاً ممکن است.
- اتصال قاره‌ها بدون نیاز به فیبر نوری زیردریایی امکان‌پذیر می‌شود.
- رمزنگاری عملاً غیرقابل نفوذ برای داده‌های حساس فراهم خواهد شد.
- شبکه در شرایط جوی مختلف پایداری بالاتری دارد.


این پیشرفت نشان می‌دهد که اینترنت کوانتومی دیگر نیازمند تجهیزات فضایی علمی‌–تخیلی نیست.
با انتقال پیچیدگی از فضا به زمین، بشر یک گام بزرگ به سمت تجاری‌سازی و عمومی‌سازی ارتباطات کوانتومی امن برداشته است.


🔗لینک به منبع

#Qnews
@QUSTmedia

🔸 The Quantum Dawn 🔸

🔹 قسمت هفتم : دوئل در بروکسل؛ اختلاف‌نظر بور و اینشتین در کنفرانس افسانه‌ای سولوی

⚛️ در این قسمت، به تماشای بزرگترین مناظره علمی قرن بیستم می‌رویم؛ جایی که در کنفرانس سولوی ۱۹۲۷، آلبرت اینشتین و نیلز بور بر سر ماهیت جهان از دیدگاه کوانتومی رو در روی هم قرار گرفتند. این نشست نه یک همایش ساده، بلکه میدان نبردی معرفت‌شناختی بود که سرنوشت فیزیک مدرن را برای همیشه تغییر داد.


🏙 تصور کنید در اکتبر سال ۱۹۲۷، در فضای پرشکوه "هتل متروپل" در بروکسل نشسته‌اید. ۲۹ نفر از درخشان‌ترین ذهن‌های بشریت گرد هم آمده‌اند که در میان آن‌ها، نام ۱۷ برنده جایزه نوبل به چشم می‌خورد. از ماری کوری و ماکس پلانک گرفته تا نوابغ جوانی چون ورنر هایزنبرگ و پاول دیراک در این جمع حضور دارند. اما کانون توجه تمام محافل علمی، تقابل دو ستون اصلی فیزیک قرن بیست، یعنی آلبرت اینشتین و نیلز بور بود. موضوع بحث آن‌ها چیزی فراتر از فرمول‌ها بود؛ آن‌ها بر سر خود "واقعیت" می‌جنگیدند.


📜 تا پیش از این دوره، الگوی فکریِ (Paradigm) حاکم بر فیزیک، جبرگرایی (Determinism) کلاسیک بود. این دیدگاه معتقد بود که طبیعت از قوانین دقیقی پیروی می‌کند و اگر شرایط اولیه سیستمی را بدانیم، آینده آن با قطعیت مطلق قابل پیش‌بینی است. اما با ظهور مکانیک کوانتومی و مفاهیمی چون "اصل عدم قطعیت هایزنبرگ"، این نظم کلاسیک در هم شکست. طبق این اصل، طبیعت محدودیتی بنیادی را به ما تحمیل می‌کرد: حاصل‌ضرب عدم قطعیت در مکان (Δx) و تکانه (Δp) هرگز نمی‌تواند از یک مقدار مشخص کمتر باشد:
Δx · Δp ≥ h / 4π
به عبارتی دیگر نمیتوانیم همزمان سرعت و مکان یک سیستم را با هر دقت دلخواهی اندازه گیری کنیم.


🎲 آلبرت اینشتین، که خود با تبیین اثر فوتوالکتریک و معرفی مفهوم کوانتای نور، از پایه‌گذاران اصلی این انقلاب بود، حالا نمی‌توانست پیامدهای رادیکال این نظریه جدید را بپذیرد. او احساس می‌کرد که پذیرش "احتمال" و "تصادف" به عنوان ذاتِ طبیعت، اعتراف به نقصِ دانش بشری است، نه ویژگی ذاتی خود جهان. جمله معروف او که «خداوند برای اداره جهان تاس نمی‌اندازد»، در همین روزهای پرالتهاب کنفرانس سولوی متولد شد. از نظر اینشتین، مکانیک کوانتوم اگرچه در پیش‌بینی نتایج موفق بود، اما نظریه‌ای "ناقص" به شمار می‌رفت که هنوز متغیرهای پنهان زیادی را کشف نکرده است.


⚔️ نبرد این دو نابغه به جلسات رسمی ختم نمی‌شد. هر روز صبح در زمان صرف صبحانه، اینشتین با یک آزمایش ذهنی (Gedankenexperiment) پیچیده سراغ بور می‌آمد تا نشان دهد اصل عدم قطعیت هایزنبرگ دارای تناقض است. او با طراحی سناریوهای خلاقانه تلاش می‌کرد راهی برای اندازه‌گیری همزمان مکان و تکانه پیدا کند. نیلز بور، که تمام روز را در تفکری عمیق سپری می‌کرد، شب‌هنگام و گاه در زمان صرف شام، با پاسخی هوشمندانه بازمی‌گشت و نشان می‌داد که آزمایش ذهنی اینشتین نه تنها کوانتوم را نقض نمی‌کند، بلکه با دقتِ تمام از آن پیروی می‌کند.


🏛 دفاع نیلز بور بر پایه مفهومی به نام "اصل مکملیت" (Complementarity) استوار بود. او استدلال می‌کرد که ما نمی‌توانیم بدون در نظر گرفتن ابزار اندازه‌گیری، از ویژگی‌های یک سیستم کوانتومی صحبت کنیم. بور معتقد بود فیزیک نه توصیفِ خودِ طبیعت، بلکه توصیفِ آن چیزی است که ما می‌توانیم درباره طبیعت بگوییم. این دیدگاه، که بعدها به "تفسیر کپنهاگی" مشهور شد، بیان می‌کرد که عملِ مشاهده، خود بخشی از فرآیند ساخت واقعیت فیزیکی است و تا زمانی که اندازه‌گیری صورت نگیرد، سیستم در حالتی از برهم‌نهی باقی می‌ماند.


✅ در نهایت، علی‌رغم سرسختی و نبوغ بی‌نظیر اینشتین، پاسخ‌های بور و استحکام فرمالیسم کوانتومی باعث شد تا "تفسیر کپنهاگی" به عنوان دیدگاه غالب و الگوی فکری استاندارد فیزیک نوین تثبیت شود. این پیروزی به معنای گذار قطعی از فیزیک کلاسیکِ نیوتنی به دنیایِ احتمالاتِ کوانتومی بود. اگرچه اینشتین تا پایان عمر به دنبال راهی برای بازگرداندن قطعیت به فیزیک بود، اما کنفرانس سولوی ۱۹۲۷ نشان داد که طبیعت در لایه‌های زیرین خود، بسیار عجیب‌تر و غیرمنتظره‌تر از آن چیزی است که شهود کلاسیک ما تصور می‌کرد.


🛰 امروز، تمامی پیشرفت‌های تکنولوژیک ما، از ترانزیستورها و لیزرها گرفته تا فناوری‌های اطلاعاتی، مدیون تثبیت همان اصولی است که در بروکسل ۱۹۲۷ مورد مناقشه بود. دوئل بور و اینشتین تنها یک جدل علمی نبود، بلکه لحظه‌ای دراماتیک بود که در آن بشریت ناچار شد با "ابهام" به عنوان بخشی از واقعیت کنار بیاید. این مناظره ثابت کرد که پیشرفت علم، نه فقط در آزمایشگاه‌ها، بلکه در عمقِ چالش‌های فلسفی و معرفت‌شناختی رخ می‌دهد.


#TheQuantumDawn
@QUSTmedia

❇️ بیایید مهم‌ترین آزمایش‌های ذهنی انیشتین و پاسخ‌های تاریخی بور را بررسی می‌کنیم:

1. آزمایش شکاف و تکانه (کنفرانس سولوی ۱۹۲۷)
🧪 طرح آزمایش انیشتین:
او پیشنهاد آزمایشی داد که در آن یک فوتون از میان یک شکاف عبور می‌کند؛ طبق فیزیک کلاسیک، اگر ما بدانیم فوتون از کدام نقطه رد شده مکان آن برای ما مشخص خواهد شد. انیشتین گفت اگر ما شکاف را روی یک فنر بسیار حساس قرار دهیم، وقتی الکترون از آن رد می‌شود، شکاف به دلیل "لگد" خوردن (Recoil) کمی جابه‌جا می‌شود و این یعنی نقض اصل عدم قطعیت و رفع ابهامی که مکانیک کوانتوم بر آن اصرار داشت.

🛡 پاسخ بور:
بور پس از یک شب بی‌خوابی پاسخ داد: اگر بخواهید تکانه‌ی شکاف را با آن دقتِ بالا اندازه بگیرید، طبق خودِ اصل عدم قطعیت، مکانِ خودِ شکاف دچار ابهام می‌شود. یعنی وقتی شکاف روی فنر نوسان می‌کند، ما دیگر جای دقیق آن شکاف را نمی‌دانیم. در نتیجه، ابهام در مکان شکاف دقیقاً به همان اندازه‌ای است که ابهام در مکان الکترون را جبران کند. در نتیجه اصل عدم قطعیت همچنان پابرجاست.


2. شکاف دوگانه و ردیابی فوتون (سولوی ۱۹۲۷)
🧪 طرح آزمایش انیشتین:
بار دیگر اینشتین سناریوی پیچیده‌تری را طراحی کرد؛ او گفت اگر در یک آزمایش دو شکاف، ما شکاف اول را به گونه‌ای نصب کنیم که با عبور فوتون کمی جابه‌جا شود و سیگنالی دریافت کنیم، پس می‌توانیم بفهمیم فوتون از کدام شکاف رد شده و همزمان الگوی تداخلی (رفتار موجی) را روی پرده ببینیم. این یعنی مشاهده‌ی همزمان رفتار "ذره‌ای" و "موجی" که بور آن را محال می‌دانست.

🛡 پاسخ نیلز بور:
بور با تکیه بر "اصل مکملیت" ثابت کرد که عملِ اندازه‌گیریِ مسیرِ ذره (فهمیدن اینکه از کدام شکاف رد شده)، باعث از بین رفتنِ هم‌فازیِ امواج می‌شود. به محض اینکه تلاش کنید بفهمید فوتون کجاست، ویژگیِ موجیِ آن فرو می‌پاشد و الگوی تداخلی ناپدید می‌شود. در واقع، طبیعت اجازه نمی‌دهد هر دو جنبه‌ی واقعیت را در یک آزمایشِ واحد ببینید.


3. جعبه فوتون و ساعت (کنفرانس سولوی ۱۹۳۰)
🧪 طرح آزمایش انیشتین: انیشتین جعبه‌ای را تصور کرد که پر از فوتون است. روی جعبه یک ساعت و یک دریچه وجود دارد که توسط ساعت کنترل می‌شود. ساعت در یک لحظه‌ی بسیار دقیق، دریچه را برای یک آن باز می‌کند تا فقط "یک فوتون" خارج شود.
۱. زمانِ خروج با ساعت به طور دقیق مشخص است (Δt بسیار کوچک است).
۲. با وزن کردن جعبه قبل و بعد از خروج فوتون، طبق فرمول E = mc²، انرژیِ فوتونِ خارج شده به طور دقیق محاسبه می‌شود (ΔE بسیار کوچک خواهد بود). در نتیجه این یعنی اندازه‌گیری همزمان و دقیق انرژی و زمان، که ناقض رابطه عدم قطعیت انرژی و زمان است.

ΔE · Δt ≥ h / 4π
h : ثابت پلانک
ΔE : عدم قطعیت انرژی
Δt : عدم قطعیت زمان

🛡 پاسخ بور :
بور این بار از "نسبیت عام" خود انیشتین علیه او استفاده کرد! او گفت وقتی فوتون از جعبه خارج می‌شود، جعبه کمی سبک‌تر شده و به دلیل نیروی فنر (ترازوی وزن‌کشی) به سمت بالا حرکت می‌کند. طبق نسبیت عام، ساعت در یک میدان گرانشی متفاوت با سرعت متفاوتی کار می‌کند (اتساع زمان گرانشی). بور ثابت کرد که همین جابه‌جایی ناچیز در میدان گرانشی، باعث می‌شود عقربه‌ی ساعت دقیقاً به همان میزانی که برای حفظ اصل عدم قطعیت لازم است، دچار خطا شود.


4. پارادوکس EPR سال (۱۹۳۵)
آخرین و جدی‌ترین چالش انیشتین سال‌ها پس از کنفرانس سولوی مطرح شد.
🧪 طرح آزمایش انیشتین:
انیشتین به همراه پودولسکی و روزن (EPR) سیستمی را تصور کردند که در آن دو ذره با هم برهم‌کنش داشته و سپس از هم دور می‌شوند (درهم‌تنیدگی).
طبق کوانتوم، این دو ذره درهم‌تنیده یک سیستم واحد هستند. اگر ما مکان ذره اول را اندازه بگیریم، بلافاصله مکان ذره دوم را خواهیم دانست، بدون اینکه به آن دست زده باشیم. انیشتین گفت یا این اطلاعات با سرعتی بیشتر از سرعت نور منتقل شده (که محال است) یا اینکه ذرات ویژگی‌های پنهانی دیگری دارند که مکانیک کوانتوم آن‌ها را نمی‌شناسد. او این ارتباط را "کنش شبح‌وار در فاصله دور" نامید.

🛡 پاسخ بور:
بور با تکیه بر "اصل مکملیت" پاسخ داد که شما نمی‌توانید ذرات درهم‌تنیده را به عنوان دو موجودیت جدا از هم در نظر بگیرید. کل جهان آزمایش (ذرات و دستگاه اندازه‌گیری) یک "واحد جدایی‌ناپذیر" است. واقعیتِ یک ذره تا زمانی که اندازه‌گیری نشود، تعریف نشده است. بنابراین، اندازه‌گیری روی ذره اول، نه یک پیام به ذره دوم، بلکه تعریف واقعیتی برای کل آن سیستم در آن لحظه است.

🏛 نتیجه‌گیری این تقابل‌ها

🟡 انیشتین : معتقد بود "واقعیت" (reality) مستقل از ناظر (observer) وجود دارد و فیزیک باید بتواند آن را با قطعیت توصیف کند.

🟢 بور : معتقد بود فیزیک نه درباره‌ی خود طبیعت، بلکه درباره‌ی "دانش ما" از طبیعت است و "عمل مشاهده" بخشی از ساختار واقعیت است.


#TheQuantumDawn
@QUSTmedia

Quantum Frontiers in Science and Technology

🏫 Isfahan University of Technology

🗓 Important dates:

Registration Deadline: January 9, 2026
Notification of Acceptance: January 13, 2026
Final registration, Poster Submission
Deadline: January 20, 2026
Conference Dates: January 29 – February 2, 2026
⏱ Five-day

💸 Registration & Fees:

Full Event Pass (5 Days — School + Conference)
Iranian Participants: 2,000,000 Tomans
International Participants: 150 USD
School (3 Days)
All Participants: 1,500,000 Tomans
Conference (2 days)
All Participants: 1,000,000 Tomans


✅ What’s Included:
Access to all School & Conference sessions
Eligibility for contributed talks & posters
All meals (breakfast, lunch, dinner)
Coffee breaks and excursion

📎 https://events.iut.ac.ir/e/Quantum2025

🌌اخبار کوانتومی

🔹مهار نشتی در کامپیوترهای کوانتومی با پالس‌های مایکروویو

⚠️ یکی از مشکلات جدی در کامپیوترهای کوانتومی، به‌ویژه سامانه‌های مبتنی بر کیوبیت‌های ابررسانا، پدیده‌ای به نام leakage یا نشتی است. در این حالت، کیوبیت به‌جای باقی ماندن در دو حالت محاسباتی تعریف‌شده، به سطوح انرژی بالاتری می‌رود و عملاً از فضای محاسبات خارج می‌شود. این نوع خطا نه‌تنها خودش اصلاح‌پذیر نیست، بلکه می‌تواند باعث انتشار خطا به کیوبیت‌های دیگر هم بشود.

🧩 مسئله‌ی مهم اینجاست که بیشتر روش‌های تصحیح خطای کوانتومی فرض می‌کنند خطاها داخل فضای محاسباتی رخ می‌دهند. نشتی این فرض را نقض می‌کند و در نتیجه، با افزایش تعداد کیوبیت‌ها، پایداری سیستم به‌جای بهتر شدن، بدتر می‌شود؛ موضوعی که یکی از موانع اصلی مقیاس‌پذیری کامپیوترهای کوانتومی است.

🎯 در این پژوهش، یک راه‌حل فعال ارائه شده است: استفاده از پالس‌های مایکروویو مهندسی‌شده که به‌طور هدفمند کیوبیت‌های نشتی‌کرده را شناسایی کرده و جمعیت کوانتومی آن‌ها را دوباره به فضای محاسباتی بازمی‌گرداند. این پالس‌ها طوری طراحی شده‌اند که کمترین اختلال را در روند عادی محاسبات ایجاد کنند و بتوان آن‌ها را در چرخه‌های کنترلی موجود ادغام کرد.

📈 نتیجه‌ی کلیدی این روش آن است که نشتی دیگر یک خطای مهارنشدنی نیست. با سرکوب دینامیکی نشتی، اثر تجمعی خطاها کاهش می‌یابد و حتی با بزرگ‌تر شدن پردازنده، رفتار سیستم پایدارتر می‌شود. این کار نشان می‌دهد که کنترل دقیق فیزیک کیوبیت‌ها، در کنار کدهای تصحیح خطا، نقشی اساسی در ساخت کامپیوترهای کوانتومی قابل اعتماد دارد.


🔗لینک به منبع

#‌Qnews
@QUSTmedia

🔸The Quantum Age🔸

🔹 قسمت هفتم: عصر NISQ و محدودیت‌های کوانتوم امروز (The NISQ Era)

🌐 توی قسمت‌های قبل فهمیدیم چراکوانتوم می‌تونه در بعضی مسائل از کلاسیک جلو بزنه و همچنین دیدیم که نویز و خطا یکی از بزرگ‌ترین دشمن‌های محاسبات کوانتومیه.
حالا وقتشه یک سؤال کاملاً واقعی بپرسیم پس چرا با وجود این همه هیجان، هنوز کامپیوتر کوانتومیِ «انقلابی» رو توی زندگی روزمره نمی‌بینیم؟
جواب این سؤال ما رو وارد دوره‌ای می‌کنه که الان دقیقاً توش زندگی می‌کنیم یعنی عصر NISQ

حالا NISQ یعنی چی؟

در واقع NISQ مخففِ:
Noisy Intermediate-Scale Quantum

یعنی کامپیوترهای کوانتومی‌ای که
تعداد کیوبیت‌شون «نسبتاً زیاد» شده اما هنوز «نویزدار و ناپایدار» هستن و از همه مهم‌تر اصلاح خطای کامل و مقیاس‌پذیر ندارن.

پس ما در مرحله‌ای هستیم که کوانتوم وجود داره، کار می‌کنه، اما هنوز خیلی شکننده‌ست.

مشکل اصلی این کامپیوترها چیه؟
شاید فکر کنیم مشکل فقط اینه که «کیوبیت کم داریم».اما در واقع، تعداد کیوبیت تنها مسئله نیست.مشکل مهم‌تر اینه که هر کیوبیت و هر گیت، یک احتمال خطا داره.
یعنی اگر یک مدار خیلی کوتاه بسازیم احتمالاً جواب درست می‌ده ، یک مدار طولانی بسازیم خطاها جمع می‌شن و خروجی بی‌معنا می‌شه ، به این محدودیت می‌گن:
Circuit Depth Limit
(محدودیت عمق مدار)

به زبان ساده کامپیوتر کوانتومی امروز، قبل از اینکه محاسبه تموم بشه، «از هم می‌پاشه».

چرا اصلاح خطای کامل هنوز نداریم؟
این‌جا همون‌جاست که می‌فهمیم کوانتوم چقدر متفاوت و سخت‌تره.
برای داشتن یک «کیوبیت منطقی» پایدار (Logical Qubit)،ما باید از تعداد زیادی کیوبیت فیزیکی استفاده کنیم تا اطلاعات رو در برابر نویز حفظ کنیم.
یعنی ممکنه برای ساختن فقط یک کیوبیت منطقی قابل اعتماد، به صدها یا حتی هزاران کیوبیت فیزیکی نیاز داشته باشیم.

پس کامپیوتر کوانتومیِ واقعیِ مقیاس‌پذیر،
فقط مسئله‌ی “ساخت چند کیوبیت بیشتر” نیست؛ مسئله‌ی “ساخت یک معماری کاملاً مقاوم به خطاست.”

پس NISQ به چه درد می‌خوره؟
اینجا یک نکته‌ی خیلی مهم هست با اینکه NISQ کامل نیست، ولی بی‌فایده هم نیست.
چون توی این عصر، ما می‌تونیم رفتار سیستم‌های کوانتومی رو بهتر بفهمیم و سخت‌افزار رو آزمایش و بهینه کنیم و روی مسائلی کار کنیم که با مدارهای کوتاه هم نتیجه می‌دن ، به همین خاطره که الگوریتم‌های مخصوص NISQ ساخته شدن، مثل Variational Algorithmsو VQE و QAOAکه ترکیبی از محاسبه‌ی کوانتومی و کلاسیک هستن ، کوانتوم بخش‌هایی رو اجرا می‌کنه و کلاسیک پارامترها رو تنظیم می‌کنه.
ایده‌شون اینه به جای ساختن یک مدار خیلی عمیق،چند مدار کوتاه اجرا کن، و با کمک کلاسیک، جواب رو بهینه کن.


چرا این عصر مهمه؟
چون NISQ دقیقاً پل بین دو جهان هست:

📌 جهان امروز:
کامپیوترهای نویزدار و محدود

📌 جهان آینده:
کامپیوترهای Fault-Tolerant
یعنی سیستم‌هایی که اصلاح خطا در مقیاس بزرگ دارن و واقعاً می‌تونن الگوریتم‌های بزرگ رو اجرا کنن.هر پیشرفت سخت‌افزاری و نظری امروز،یک قدم نزدیک‌تر به اون آینده‌ست.

پس اگر بخواهیم یک جمع بندی داشته باشیم عصر NISQ یعنی ما هنوز در مرحله‌ی «نوجوانی» محاسبات کوانتومی هستیم. قدرت هست، پتانسیل هست، اما هنوز پایداری کامل نیست. و شاید مهم‌ترین نکته همین باشه کوانتوم امروز بیشتر یک آزمایشگاه زنده‌ست تا یک ابزار عمومی.ولی همین مرحله، مسیر ساخت آینده رو هم مشخص می‌کنه.


#TheQuantumAge
@QUSTmedia‏

🔹 پیوند فیزیک کوانتومی با مهندسی برق – گرایش الکترونیک

مهندسی برق ـ الکترونیک یکی از نزدیک‌ترین شاخه‌های مهندسی به فیزیک کوانتومی است؛ زیرا عملکرد ادوات الکترونیکی در مقیاس‌های میکرو و نانو مستقیماً به رفتار کوانتومی الکترون‌ها، نوارهای انرژی و برهم‌کنش نور و ماده وابسته است.
با کوچک‌تر شدن ابعاد قطعات و افزایش فرکانس کاری، توصیف کلاسیک دیگر پاسخگو نیست و مکانیک کوانتومی به ابزار اصلی تحلیل و طراحی مدارها و ادوات نوین الکترونیکی تبدیل می‌شود.


🔸 فیزیک کوانتومی و پایه‌ی عملکرد ادوات نیمه‌هادی
عملکرد دیود، ترانزیستور، MOSFET و ادوات مجتمع (IC) بر اساس مفاهیم کاملاً کوانتومی بنا شده است:
-تشکیل نوارهای ظرفیت و رسانش (Band Structure)
-مفهوم تراز فرمی و چگالی حالات الکترونی
-تونل‌زنی کوانتومی در پیوندهای p-n و گیت‌های نازک
تحلیل این پدیده‌ها بدون استفاده از مکانیک کوانتومی و معادله شرودینگر امکان‌پذیر نیست.


🔸 اثر تونل‌زنی و ادوات الکترونیکی کوانتومی
در مقیاس نانو، الکترون‌ها می‌توانند از سدهای پتانسیل عبور کنند، حتی زمانی که انرژی کلاسیکی کافی ندارند.
این پدیده منجر به توسعه ادواتی مانند:
-دیود تونلی.
-ترانزیستورهای تک‌الکترونی (SET).
-حافظه‌های مبتنی بر تونل‌زنی (Flash و NVM).
تونل‌زنی کوانتومی یکی از محدودیت‌ها و در عین حال فرصت‌های اصلی فناوری CMOS پیشرفته است.


🔸 کوانتوم و الکترونیک فرکانس بالا و اپتوالکترونیک
در ادوات نوری و فرکانس بالا، ماهیت دوگانه موج–ذره نور نقش کلیدی دارد:
- لیزرها و LED ها بر اساس بازترکیب کوانتومی الکترون–حفره عمل می‌کنند.
-آشکارسازهای نوری، فوتودیودها و سنسورها مستقیماً از اثر فوتوالکتریک بهره می‌برند.
-انتقال انرژی در فرکانس‌های بالا بدون مدل‌های کوانتومی قابل توصیف نیست.


🔸 نقش مکانیک کوانتومی در فناوری نانو و VLSI
با کوچک شدن ابعاد ترانزیستورها به چند نانومتر:
-نشت جریان ناشی از تونل‌زنی افزایش می‌یابد.
-کوانتش انرژی و اثرات محدودیت کوانتومی ظاهر می‌شود.
-مدل‌های کلاسیک جای خود را به مدل‌های کوانتومی حمل بار می‌دهند.
طراحی مدارهای VLSI پیشرفته بدون درک اثرات کوانتومی امکان‌پذیر نیست.


🔸 الکترونیک کوانتومی و آینده محاسبات
مفاهیم کوانتومی تنها به محدودیت ختم نمی‌شوند، بلکه مسیرهای نوینی ایجاد کرده‌اند:
-کیوبیت‌ها و مدارهای ابررسانا
-الکترونیک مبتنی بر اسپین (Spintronics)
-استفاده از درهم‌تنیدگی و تونل‌زنی برای پردازش اطلاعات
این حوزه‌ها مرز بین مهندسی برق، فیزیک و علوم کامپیوتر را از میان برداشته‌اند.


🔸 مهندسی برق در عصر کوانتوم
فیزیک کوانتومی نه‌تنها زیربنای الکترونیک مدرن است، بلکه آینده آن را نیز شکل می‌دهد:
-مدارهای کم‌مصرف در مقیاس اتمی
-پردازش فوق‌سریع با حداقل اتلاف انرژی
-هم‌افزایی هوش مصنوعی، شبیه‌سازی کوانتومی و طراحی مدار

مهندسی برق ـ الکترونیک در آستانه ورود به عصری است که قوانین کوانتوم نه یک استثناء، بلکه قاعده طراحی خواهند بود.


#QuantumForAll
@QUSTmedia

🔷پایه‌های کوانتومی دستگاه تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI): چگونه فیزیک کوانتوم، دنیای تشخیص پزشکی را دگرگون کرد؟

در نگاه نخست، جهان رازآلود و ضدشهودی مکانیک کوانتومی با مفاهیمی مانند برهم‌نهی و اندازه گیری دور از کاربردهای عملی به نظر می‌رسد. با این حال، یکی از پیشرفته‌ترین و حیاتی‌ترین دستگاه‌های تشخیصی پزشکی امروز، یعنی تصویربرداری تشدید مغناطیسی (Magneting Resonance Imaging) در بنیاد خود بر پدیده‌های کوانتومی استوار است. این دستگاه نه تنها تصاویری بی‌نظیر از درون بدن ارائه می‌دهد، بلکه آزمایشگاهی زنده برای نمایش اصول کوانتومی در مقیاس بزرگ است. در این متن، سازوکار کوانتومی پشت این فناوری شگفت‌انگیز را به تفصیل بررسی می‌کنیم.


◾️ستون فقرات کوانتومی: اسپین هسته‌ای و مغناطش
اساس فیزیکی این دستگاه بر یک ویژگی ذاتی کوانتومی پروتون‌های هسته اتم (به ویژه در اتم هیدروژن آب بدن) بنا شده است: اسپین هسته‌ای.

🔻اسپین به عنوان یک آهنربای ذاتی: در مکانیک کوانتومی، اسپین یک عدد کوانتومی ذاتی است که به ذره، یک گشتاور دو قطبی مغناطیسی می‌بخشد. می‌توان پروتون را همچون یک آهنربای میله‌ای بسیار ریز کوانتومی تصور کرد. برخلاف فیزیک کلاسیک، اندازه و جهت‌گیری این "آهنربا" کوانتیده است.

🔻کوانتیده‌شدن جهت در میدان مغناطیسی: وقتی این گشتاورهای مغناطیسی ذاتی در یک میدان مغناطیسی نیرومند و یکنواخت قرار می‌گیرند، رفتار کوانتومی کلیدی رخ می‌دهد: جهت‌گیری مجاز چرخش‌ها کوانتیده می‌شود. برای پروتون با چرخش ½، تنها دو حالت انرژی مجاز وجود دارد:
* حالت همراستا (پایدار): چرخش در جهت میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد (حالت انرژی پایین‌تر).
* حالت ناهمسو (ناپایدار): چرخش در خلاف جهت میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد (حالت انرژی بالاتر).
تفاوت انرژی بین این دو حالت، دقیقاً با قدرت میدان مغناطیسی نسبت مستقیم دارد. این رابطه ساده، سنگ بنای کل فرآیند است.ΔE = ħ γ B₀

🔻جمعیت‌های کوانتومی و ایجاد مغناطش کلی: در یک جمعیت بزرگ از پروتون‌های آب بدن، در حالت تعادل و تحت میدان مغناطیسی، تعداد اندکی بیشتر از هسته‌ها در حالت کم‌انرژی (همراستا) قرار می‌گیرند تا حالت پرانرژی (ناهمسو). این تفاوت ناچیز جمعیتی — که توسط آمار بولتزمان تعیین می‌شود — به ایجاد یک مغناطش خالص کلی در راستای میدان می‌انجامد. این "مغناطش کلی" که حاصل جمع بردارهای میلیاردها گشتاور مغناطیسی کوانتیده است، همان کمیت فیزیکی کلیدی است که در این دستگاه دستکاری و اندازه‌گیری می‌شود.


◾️قلب تپنده کوانتومی فرآیند: پدیده تشدید و گسیل انرژی
کلید تبدیل این مغناطش ساکن به یک سیگنال قابل اندازه‌گیری، پدیده‌ی تشدید مغناطیسی است.

🔻برانگیختگی با امواج رادیویی: اگر به نمونه، پالس‌هایی از تابش الکترومغناطیسی در محدوده‌ی امواج رادیویی با فرکانسی دقیقاً برابر «فرکانس لارمور» تابانده شود، گذار کوانتومی رخ می‌دهد. فوتون‌های موج رادیویی با انرژی دقیقاً برابر تفاوت دو سطح انرژی، توسط هسته‌های حالت پایه جذب شده و آن‌ها را به حالت برانگیخته می‌برند. این همان شرط «تشدید» است: تطابق انرژی فوتون با شکاف انرژی کوانتومی بین دو سطح چرخش.

🔻ایجاد برهم‌نهی و کج کردن مغناطش: پالس موج رادیویی هوشمندانه طراحی می‌شود تا نه تنها جابجایی جمعیت ایجاد کند، بلکه حالت‌های برهم‌نهی کوانتومی از دو حالت پایه و برانگیخته پدید آورد. در سطح کلی، این کار برابر است با چرخش مغناطش خالص از راستای طولی (هم‌جهت با میدان) به صفحه‌ی عرضی (عمود بر میدان). زاویه این چرخش توسط شدت و مدت پالس موج رادیویی کنترل می‌شود.

🔻بازگشت به حالت پایه و تولید سیگنال: پس از قطع پالس موج رادیویی، سیستم به سمت تعادل نخستین بازمی‌گردد. این بازگشت از دو راه مستقل و ذاتی کوانتومی رخ می‌دهد:
* بازگشت انرژی (آرامش طولی): هسته‌های برانگیخته، انرژی خود را به محیط اطراف (شبکه مولکولی) داده و به حالت پایه بازمی‌گردند. مغناطش طولی بازیابی می‌شود. زمان مشخصه این فرآیند T1 نام دارد.
* از دست دادن هم‌فازی (آرامش عرضی): حالت برهم‌نهی کوانتومی به دلیل برهمکنش‌های ریز مغناطیسی بین ذرات و ناهمگنی‌های میدان از بین رفته و مغناطش عرضی به صفر می‌گراید. زمان مشخصه این فرآیند T2 نام دارد. در حین این از دست دادن هم‌فازی، مغناطش در حال چرخش در صفحه عرضی، یک سیگنال نوسانی در یک سیم‌پیچ گیرنده القا می‌کند. این سیگنال که زوال القایی آزاد نامیده می‌شود، مستقیم نتیجه هم‌فاز بودن آغازین چرخش‌ها و سپس از دست رفتن تدریجی این هم‌فازی است.


#Qindustry
@QUSTmedia

◾️از دنیای کوانتوم به تصویر پزشکی: رمزگشایی فضایی
سیگنال تولیدشده به خودی خود اطلاعات مکانی ندارد. اینجاست که نبوغ مهندسی وارد می‌شود تا از قواعد کوانتومی برای نقشه‌برداری فضایی استفاده کند.

🔻گرادیان‌های میدان مغناطیسی: با اعمال میدان‌های مغناطیسی افزوده که قدرت آن‌ها به طور خطی در فضا تغییر می‌کند، میدان مغناطیسی کلی و در نتیجه فرکانس لارمور را به تابعی خطی از مکان تبدیل می‌کنیم.
* کدگذاری بر اساس فرکانس: پروتون‌های واقع در یک مکان خاص، با فرکانس لارمور منحصربه‌فرد خود نوسان می‌کنند. بنابراین، فرکانس هر بخش از سیگنال دریافتی، مکان پروتون‌ها را در راستای آن گرادیان مشخص می‌کند.

🔻تبدیل فوریه و بازسازی تصویر: سیگنال دریافتی در واقع جمعی (برهم‌نهی) از سیگنال‌های تمام فرکانس‌های مختلف (و بنابراین تمام مکان‌ها) است. با اعمال گرادیان در سه راستا و ثبت سیگنال در طول زمان، مجموعه‌ای از داده‌ها به نام فضای کا ساخته می‌شود. با اعمال یک تبدیل ریاضی دو یا سه بعدی بر روی فضای کا، آن را به تصویر فضایی واقعی — یعنی تصویر آناتومیک با کنتراست بالا — تبدیل می‌کنیم.


◾️کنتراست برگرفته از کوانتوم: نقش T1 و T2
آنچه این دستگاه را برجسته می‌کند، توانایی آن در ایجاد کنتراست بر پایه خواص فیزیکی-کوانتومی بافت‌ها است. پارامترهای T1 و T2 که در ذات خود نرخ‌های آرامش کوانتومی هستند، برای بافت‌های گوناگون متفاوتند:

- آب (مانند مایع مغزی-نخاعی): زمان T1 و T2 طولانی.

- چربی: زمان T1 کوتاه، زمان T2 نسبتاً کوتاه.

- ماهیچه: زمان T1 و T2 متوسط.

با تنظیم دقیق زمان‌های تصویربرداری، می‌توان تصاویری با تأکید بر T1، T2 یا چگالی پروتونی ایجاد کرد که حساسیت تشخیصی فوق‌العاده‌ای برای شناسایی آسیب‌هایی مانند تومور، التهاب یا خونریزی فراهم می‌آورد.


◾️سخن پایانی: یک پیروزی باشکوه برای مکانیک کوانتومی
دستگاه تصویربرداری تشدید مغناطیسی، نمایشی فاخر از این حقیقت است که مکانیک کوانتومی تنها یک نظریه انتزاعی نیست، بلکه زبان بنیادی توصیف ماده است. از کوانتیده بودن چرخش هسته‌ای و جذب انرژی گسسته، تا ایجاد برهم‌نهی و از دست دادن هم‌فازی، هر گام از این فرآیند ریشه در قوانین کوانتومی دارد. مهندسی نابغه‌مندانه، این پدیده‌های ریزمقیاس را رام کرده و به ابزاری تشخیصی در مقیاس انسانی، بی‌آزار و نجات‌بخش بدل ساخته است. درک این پایه‌های کوانتومی نه تنها برای فیزیکدانان جذاب است، بلکه راه را برای نسل آینده این فناوری با میدان‌های قوی‌تر، سرعت بالاتر و کنتراست نوین هموار می‌سازد.


#Qindustry
@QUSTmedia

🔸 The Quantum Dawn 🔸

🔹 قسمت هشتم: مکانیک موجی و مفهوم احتمالاتی تابع موج


⚛️ در این قسمت، به بررسی عمیق‌ترین فرمالیسم ریاضی در قلب مکانیک کوانتومی می‌پردازیم؛ جایی که معادله موج شرودینگر و مفهوم تابع موج (ψ)، دیدگاه کلاسیک ما از واقعیت را با چالش احتمالات و برهم‌نهی روبرو کردند. این قسمت روایتی است از تلاش فیزیکدانان برای فرمول‌بندی دنیایی که لویی دوبروی تصور کرده بود.

🌊 پس از فرضیه انقلابی دوبروی مبنی بر موجی بودن ماده، نیاز به یک ابزار ریاضی برای توصیف این امواج مادی احساس می‌شد. در ابتدای سال ۱۹۲۶، اروین شرودینگر با ارائه معادله مشهور خود، «مکانیک موجی» را بنا نهاد. در قلب این تئوری، موجودی ریاضی به نام تابع موج (که با حرف یونانی ψ یا سای نمایش داده می‌شود) قرار داشت. اما پرسش اساسی این بود: این تابع موج دقیقاً چیست؟ آیا الکترون مانند یک ابر در فضا پخش شده است؟، یا این تابع صرفاً یک ابزار محاسباتی است و مفهوم فیزیکی ندارد؟

📊 پاسخ به این پرسش 6 ماه بعد توسط ماکس بورن ارائه شد که تحولی معرفت‌شناختی در فیزیک ایجاد کرد. بورن پیشنهاد داد که تابع موج مستقیماً به ماده اشاره ندارد، بلکه حاوی اطلاعات آماری است.
طبق تعبیر او
مجذور قدر مطلق تابع موج (ψ|²|)، نشان‌دهنده «چگالی احتمال» حضور ذره در یک نقطه مشخص است. این یعنی ما دیگر نمی‌توانیم با قطعیت بگوییم الکترون کجاست، بلکه فقط می‌توانیم شانس یافتن آن را در نقاط مختلف محاسبه کنیم. این نقطه آغاز رسمی ورود «عدم قطعیت» به ساختار ریاضیاتی فیزیک بود.

🐈 در این فضای آکنده از احتمالات، مفهوم برهم‌نهی (Superposition) متولد شد؛ حالتی که در آن یک سیستم کوانتومی تا پیش از اندازه‌گیری، همزمان در تمام حالت‌های ممکنِ خود قرار دارد. اروین شرودینگر که خود از بنیان‌گذاران این ریاضیات بود، با تعبیر احتمالی محض (تفسیر کپنهاگی) مشکل داشت. او برای نشان دادن آنچه "«پوچی» تعمیم این قوانین به دنیای ماکروسکوپی" می‌پنداشت، آزمایش ذهنی مشهور خود یعنی «گربه شرودینگر» را طراحی کرد. او گربه‌ای را در جعبه‌ای تصور کرد که سرنوشتش به واپاشی یک اتم رادیواکتیو گره خورده است ولی هیچکس نمی‌داند این واپاشی صورت گرفته یا خیر فقط می‌دانیم احتمال رخ دادن آن در بازه زمانی مشخص 50 درصد است. طبق منطق کوانتومی، تا زمانی که ما درِ جعبه را باز نکنیم(اندازه گیری)، اتم هم واپاشیده و هم واپاشیده نشده است؛ بنابراین گربه نیز باید همزمان هم زنده و هم مرده باشد!

👁 شرودینگر با این آزمایش ذهنی قصد داشت نشان دهد که تفسیر کپنهاگی لزوماً کامل نیست. اما برخلاف انتظار او، این آزمایش ذهنی به نمادی از واقعیت کوانتومی تبدیل شد. در فیزیک کوانتوم، عمل «مشاهده» یا اندازه‌گیری باعث پدیده‌ای به نام فروپاشی تابع موج (Wavefunction Collapse) می‌شود. به محض اینکه ناظر به درون جعبه نگاه می‌کند، تابع موج که شامل تمام احتمالات (زنده و مرده بودن) بود، فرو می‌پاشد و تنها یک واقعیت فیزیکی محقق می‌شود. این به معنای آن است که در سطح بنیادین، واقعیت تا زمانی که مشاهده نشود، قطعی نیست.

🏛 این تحول در معنای واقعیت، فیزیک را از یک علم توصیف‌گر اشیاء ، به علمی تبدیل کرد که روابط میان ناظر و سیستم فیزیکی را بررسی می‌کند. تابع موج شرودینگر، اگرچه در ابتدا برای بازگرداندن مفهومی کلاسیک به فیزیک ابداع شد، اما در نهایت نشان داد که جهان در ذات خود، از احتمالات و امواج مادی ساخته شده است.

#TheQuantumDawn
@QUSTmedia