ونوس، جواهری در آسمان

ونوس، جواهری در آسمان ترجمه: لنا سجادیفر ---------------------------------------------------------------------- ونوس (ناهید یا زهره) به دلیل تشابه اندازه، جرم، چگالی و حجم به خواهر دوقلوی زمین شهرت گرفته است. قطر این سیاره در حدود 12.100 کیلومتر و تقریبا 644 کیلومتر کمتر از قطر زمین می باشد. هیچ سیاره ای به اندازه ونوس به زمین نزدیک نمی شود. در نزدیکترین حالت، فاصله ونوس از زمین حدود 38.2 میلیون کیلومتر است. این تصویر به کمک ارسال امواج رادار به این سیاره تهیه شده و رنگها بر اساس تصاویریست که کاوشگرهای فرود آمده بر سطح ونوس تهیه نموده اند. عکس از ناسا از منظر ساکنین زمین، ونوس از هر سیاره و حتی ستاره دیگری درخشان تر است. در زمانهای مشخصی از سال، ونوس اولین سیاره یا ستاره ایست که در هنگام غروب در قسمت غربی آسمان مشاهده می شود. در زمانهای دیگر، ونوس آخرین سیاره یا ستاره ایست که پس از طلوع آفتاب در قسمت شرقی آسمان وجود دارد. هنگامیکه ونوس در آستانه درخشانترین فاز خود است، در نور روز نیز قابل مشاهده می باشد. ستاره شناسان دوران باستان، جرمی را که به هنگام روز مشاهده می کردند، فسفر (به معنای جسم تابنده) و جرمی را که به هنگام غروب در آسمان می دیدند، هسپروس (Hesperus) به معنای ستاره شامگاهی، نامگذاری کرده بودند. بعدها آنها فهمیدند که این دو جرم در واقع یک سیاره است و آن را به افتخار الهه عشق و زیبایی ونوس نامیدند. مدار ونوس دومین سیاره از منظومه شمسی است که میانگین فاصله آن تا خورشید 108.2 میلیون کیلومتر می باشد. به منظور قیاس، لازم به ذکر است که فاصله زمین، سومین سیاره منظومه از خورشید 150 میلیون کیلومتر و فاصله عطارد، نخستین سیاره منظومه از خورشید 57.9 میلیون کیلومتر می باشد. سیاره ونوس تقریبا در یک مدار دایره شکل به دور خورشید در گردش است. دورترین فاصله این سیاره از خورشید 108.9 میلیون کیلومتر و کمترین فاصله آن 107.5 میلیون کیلومتر می باشد. مدار بقیه سیارات منظومه شمسی بیضی شکل است. یک سال در ونوس معادل 225 روز زمینی می باشد. فاز هنگام رصد ونوس به کمک تلسکوپ تغییراتی در شکل و اندازه آن مشاهده می شود. این تغییرات آشکار را که شبیه تغییرات ظاهری ماه است، فاز می نامند. این تغییرات به این دلیل است که در زمانهای مختلف، قسمتهای روشن سیاره که از زمین دیده می شوند متفاوت می باشند. از آنجائیکه زمین و ونوس هر دو به دور خورشید در گردشند، هر 584 روز یکبار ونوس در گوشه ای از خورشید مشاهده می شود. در این هنگام تقریبا همه قسمتهای روشن سیاره قابل رویت است. با حرکت ونوس به دور خورشید و به سمت زمین، قسمتهای روشن آن کمتر و سایز سیاره بزرگتر به نظر می رسد. پس از گذشت تقریبا 221 روز، تنها نیمی از سیاره قابل رویت است. پس از 71 روز دیگر، ونوس به سمتی از خورشید که زمین نیز در آنجا قرار می گیرد، نزدیک می شود و تنها هلال باریکی از آن قابل رویت خواهد بود. هنگام حرکت ونوس به سمت زمین، این سیاره نزدیک غروب دیده می شود و هنگام عبور این سیاره پس از زمین، صبح زود مشاهده می گردد. گردش سیاره در حالیکه ونوس به دور خورشید در حرکت است، به آرامی حول محور طولی خود نیز گردش می کند. محور طولی ونوس عمود بر صفحه گردش مداری سیاره نیست بلکه نسبت به آن زاویه ای حدود 178 درجه دارد. بر خلاف زمین، ونوس در جهت گردش خود به دور خورشید، حول محور طولی خود نمی چرخد بلکه بر خلاف آن در حرکت است. از منظر بیننده ای که بر روی ونوس است، خورشید از غرب طلوع و از شرق غروب می کند. هر دور وضعی و به عبارتی هر یک روز در این سیاره معادل 243 روز زمینی طول می کشد و از یکسال آن که معادل 225 روز زمینی می باشد، طولانی تر است. سطح و جو گرچه ونوس خواهر دوقلوی زمین است اما شرایط سطح آن با زمین تفاوت های بسیار زیادی دارد. سیاره شناسان مشکلات زیادی برای شناسایی شرایط سطح این سیاره داشتند به این دلیل که جو ونوس همیشه با لایه ای بسیار ضخیم از ابر اسید سولفوریک پوشیده شده است. آنها برای شناخت این سیاره از رادار، تجهیزات رادیویی ستاره شناسی و کاوشگرهای فضایی استفاده می کنند. تا همین اواخر، بیشتر دانش سیاره شناسان از ونوس توسط رادارهای مشاهده گر زمینی، کاوشگر ونرای (Venera) جماهیر شوروی و کاوشگر پایونیر (Pioneer) ایالات متحده به دست آمده بود. در سال 1990، کاوشگر ماژلان (Magellan) ایالات متحده گردش خود به دور ونوس را آغاز کرد و توسط رادار از سطح این سیاره نقشه هایی تهیه نمود. ابر ضخیمی از اسید سولفوریک ونوس را احاطه کرده است. عکس از ناسا سطح ونوس بسیار داغ و بسیار خشک است. به دلیل دمای بسیار زیاد وجود آب مایع در سطح آن غیر ممکن است. سطح این سیاره پوشیده از منطقه های گوناگونی شامل سطوح مسطح، کوهستان، دره و شیار است. حدود 65 درصد از سیاره را دشتهای صاف و مسطح پوشانده است. در این دشتها هزاران دهانه آتشفشان با قطرهای مختلف از 8/0 تا 240 کیلومتر وجود دارد. شش منطقه کوهستانی 35 درصد از سطح سیاره را به خود اختصاص داده اند. ارتفاع یکی از این کوهستانها به نام مکسول (Maxwell) که در منطقه ایشتار ترا (Ishtar Terra) قرار گرفته است 3/11 کیلومتر و طول آن حدود 870 کیلومتر می باشد. این مرتفع ترین منطقه بر روی ونوس است. در منطقه ای به نام بتا رژیو (Beta Regio) دره ای به عمق 1 کیلومتر وجود دارد. چاله هایی نیز در سطح ونوس به دلیل برخورد سنگ های آسمانی با سیاره وجود دارند. ماه، مریخ و عطارد با چنین چاله هایی پوشیده شده اند ولی تعداد چاله ها بر روی ونوس به طور قابل توجهی اندک است. از کمیاب بودن این چاله ها بر روی ونوس، سیاره شناسان چنین استنتاج نموده اند که عمر سطح فعلی سیاره ونوس کمتر از 1 بیلیون سال است. چاله ای برخوردی در ونوس به عرض 37 کیلومتر. این تصویر رایانه ای به کمک اطلاعات ارائه شده توسط ماژلان، تهیه شده است. عکس از ناسا مناطقی بر روی ونوس وجود دارند که به هیچ چیز بر روی زمین شبیه نیست. برای مثال تاجهایی حلقه مانند با قطرهای مختلف (بین 155 تا580 کیلومتر) که دانشمندان تصور می کنند این تاجها در اثر خروج مواد مذاب از دل این سیاره شکل می گیرند. همچنین در ونوس مناطقی وجود دارد که در آنجا شیارها و لبه هایی در جهات مختلف به وجود آمده اند. جو ونوس از بقیه سیارات منظومه شمسی سنگین تر است. به طور عمده این جو شامل دی اکسید کربن، مقدار کمی نیتروژن و بخار آب می باشد. مقادیر بسیار اندکی آرگون، مونوکسید کربن، نئون و دی اکسید سولفور نیز در آن ردیابی شده است. فشار جوی در ونوس 9.122 کیلو پاسکال تخمین زده می شود. این مقدار 90برابر فشار جوی در زمین (معادل 101 کیلو پاسکال) است. دما دمای لایه های بالایی جو ونوس به طور میانگین 13 درجه سانتیگراد می باشد، در حالیکه دمای سطح این سیاره به 465 درجه سانتیگراد می رسد. ونوس داغ ترین سیاره منظومه شمسی و داغ تر از اغلب کوره ها است. گیاهان و جانداران زمینی به دلیل دمای بسیار زیاد ونوس نمی توانند به حیات در این سیاره ادامه دهند. دانشمندان هنوز هیچ گونه ای از حیات را بر روی این سیاره کشف ننموده و تردید دارند که نوعی از آن در آینده پیدا شود. بیشتر دانشمندان بر این باورند که دمای شدید سطح ونوس به دلیل تاثیرات پدیده گلخانه ایست. یک گلخانه به پرتوهای پر انرژی خورشید اجازه ورود می دهد ولی از خروج گرما جلوگیری می کند. ابرهای ضخیم و اتمسفر غلیظ ونوس نیز به همین شکل عمل می کنند. پرتوهای تابناک خورشید به درون جو سیاره راه پیدا می کنند اما انبوه قطرات بسیار ریز اسید سولفوریک و مقادیر زیاد دی اکسید کربن در ابرهای ونوس، به نظر مانند تله ای، بیشتر انرژی خورشید را در سطح سیاره محبوس کرده اند. جرم و چگالی جرم ونوس تقریبا چهار پنجم جرم زمین است. نیروی گرانش آن کمی از گرانش زمین کمتر می باشد از این رو جرمی معادل 100 پوند بر روی زمین، حدود 88 پوند بر روی ونوس وزن خواهد داشت. چگالی ونوس نیز اندکی از چگالی زمین کمتر است. پروازهایی به ونوس ونوس نخستین سیاره ای بود که توسط یک فضاپیمای در حال عبور مورد مشاهده قرار گرفت. فضاپیمای بدون سرنشین مارینر 2 ایالات متحده در 14 دسامبر 1962 از فاصله 34.760 کیلومتری این سیاره عبور نموده و موفق به اندازه گیری شرایط مختلف سطح و اطراف سیاره گردید. برای مثال به کمک تجهیزات خاصی که در فضاپیما وجود داشت، دمای شدید سیاره اندازه گیری شد. مارینر 10 دو فضاپیمای بدون سرنشین شوروی نیز در سال 1966به کاوش در ونوس پرداختند. ونرا 2 (Venera 2) در 27 فوریه از 24.000 کیلومتری ونوس عبور کرد و ونرا 3 (Venera 3) در اول مارس با اتمام ماموریت خود به درون سیاره سقوط نمود. در اکتبر 1967، از دو کشور ایالات متحده و شوروی فضاپیماهایی به ونوس ارسال شد. ونرا 4، فضاپیمای شوروی، کپسول تجهیزات را توسط پاراشوت به داخل جو سیاره انداخت. مارینر 5، فضاپیمای ایالات متحده، از 3.990 کیلومتری سیاره عبور نمود. این فضاپیما میدان مغناطیسی شناسایی ننمود. هر دو فضاپیما وجود مقادیر زیادی دی اکسید کربن در جو سیاره را گزارش کردند. در 15 دسامبر 1970، ونرا 7 ، فضاپیمای شوروی، بر روی ونوس فرود آمد. در 5 فوریه 1974، ایالات متحده کاوشگر سیاره ای خود، مارینر 10 را به نزدیکی این سیاره فرستاد. این کاوشگر برای نخستین بار تصاویری که در فاصله نزدیک از ونوس تهیه نمود را به زمین ارسال کرد. در 22 اکتبر 1975، فضاپیمای بدون سرنشین شوروی به نام ونرا 9 بر روی ونوس فرود آمده و اولین تصاویر از سطح سیاره را تهیه نمود. سه روز بعد فضاپیمای بعدی شوروی یعنی ونرا 10 به ونوس رسید. این فضاپیما تصاویری از سطح ونوس تهیه کرد، فشار جوی سیاره را اندازه گیری نمود و ترکیب بندی سنگ های سطح سیاره را مشخص کرد. چهار فضاپیمای بدون سرنشین در دسامبر سال 1978، به ونوس رسیدند. فضاپیمای ایالات متحده به نام پایونیر ونوس 1 (Pioneer Venus 1) گردش خود به دور ونوس را در 4 دسامبر آغاز کرد. این فضاپیما تصاویر راداری از ونوس را برای ما ارسال نمود، از سطح سیاره نقشه ای تهیه کرد و دمای ابرهای بالای سیاره را اندازه گرفت. در نهم دسامبر، پایونیر ونوس 2 وارد جو ونوس شده و چگالی و ترکیب بندی شیمیایی آن را اندازه گیری کرد. در 21 دسامبر، ونرا 12، فضاپیمای شوروی، در این سیاره فرود آمد. چهار روز بعد ونرا 11 نیز به ورنا 12 پیوست. هر دوی آنها اطلاعاتی در مورد لایه های پائینی جو ونوس ارسال نمودند. دو فضاپیمای دیگر نیز از شوروی در سال 1982 بر سطح ونوس فرود آمدند. ونرا 13، در 14 مارس و ونرا 14، در پنجم همان ماه. هر دوی آنها ضمن ارسال تصاویر به دست آمده، به آنالیز نمونه های خاک این سیاره نیز پرداختند. در اوایل اکتبر 1983، دو فضاپیمای دیگر شوروی به کمک رادار از قسمتهای شمالی ونوس نقشه برداری کردند. ونرا 15 و ونرا 16 کار نقشه برداری خود را در سال 1984 به اتمام رساندند. هر دوی آنها تصاویر شفاف و واضحی از سطح ونوس تهیه کردند. فضاپیمای ماژلان ایالات متحده گردش خود به دور سیاره را در 10 آگوست 1990 آغاز نمود. در تصاویر راداری به دست آمده توسط ماژلان، اجرام یا بخش هایی به وسعت 100 متر قابل تفکیک می باشند. جدول آماری ونوس جرم (کیلوگرم) 4.869e+24 جرم (زمین =1) .81476 شعاع استوایی 6,051.8 شعاع استوایی (زمین =1) .94886

منبع:www.iranika.i

«هندسه فرکتالها» جهاني در جهان نانو

دراين مقاله مي کوشيم تا نقش رياضيات را از رهگذر مفاهيم فيزيک جديد، در دنياي زيبا و چندنظمي نانو نشان دهيم.

منبع:http://www.nano.ir

تاریخچه ورود انسان به فضا

ترجمه: لنا سجادیفر ---------------------------------------------------------------------- در سال 1958، دانشمندان ایالات متحده و اتحاد جماهیر شوروی تلاش های جدی خود برای ساخت فضاپیماهایی که قادر به حمل انسان به فضا باشند را آغاز نمودند. هر دو کشور ساخت کپسول های بدون بال که در بالای شتابگر مجهز به موشکهای پیشرفته برد بالا، قرار می گیرند را انتخاب کردند. کشف امکان سفر انسان به فضا برای دانشمندان نگران کننده بود. آزمایش هایی که بر روی حیوانات انجام گرفت نشان داد که سفر به فضا گرچه با خطرات فیزیکی همراه نیست ولی احتمال بروز عوامل روانی وجود دارد. برخی کارشناسان از این می ترسیدند که فشار ناشی از پرتاب، پرواز و فرود فضاپیما منجر به ترس شدید و یا بیهوشی در فضانورد گردد. وستوک (Vostok) و مرکوری (Mercury): اولین حضور انسان در فضا فضاپیمای جمینی 5.8 متر ظرفیت دو سرنشین کپسول مرکوری 2.9 متر ظرفیت یک سرنشین کپسول وستوک 4.9 متر ظرفیت یک سرنشین عکس از کتاب تصویر سازی آکسفورد برنامه "وستوک" جماهیر شوروی و برنامه "مرکوری" ایالات متحده نمایانگر نخستین تلاش ها برای فرستادن انسان به فضا بودند. کپسول "وسوتوک" 4500 کیلوگرم وزن داشت. این کپسول بر سر یک موشک پیشرفته R-7 حمل می شد. کپسول شامل یک کابین کروی خلبان، یک اتاقک استوانه ای و بخش محتوی سیستم نیروی محرکه بود. در صورت بروز حادثه به هنگام پرتاب کپسول، فضانورد می توانست به همراه صندلی خود از کپسول خارج شود. سیستم تامین هوا از ترکیب اکسیژن و نیتروژن شبیه به جو سطح دریا استفاده می کرد. کپسول "مرکوری" ایالات متحده حدود 1360 کیلوگرم وزن داشت و بر سر یک راکت رد ستون (Redstone) یا اطلس (Atlas) قرار می گرفت. این کپسول مخروطی شکل می توانست به کمک جتر نجات بر روی اقیانوس فرود آید. سیستم تامین هوا از اکسیژن خالص در فشار کم استفاده می کرد. در صورت بروز نقص فنی به هنگام پرتاب، کپسول و فضانورد با کمک راکت سوخت جامد متصل به نوک کپسول از راکت حامل جدا می شدند. هر اندازه که برنامه های ایالات متحده بر سر زبانها افتاده بود، فعالیت های شوروی محرمانه و به طور نهانی انجام می گرفت. در سالهای 1960و 1961 هر دو کشور آزمایشاتی را بر روی کاوشگرهای بدون سرنشین انجام دادند که بعضی از آنها با شکست به هنگام پرتاب مواجه شد. در این مدت هر دو کشور حیواناتی را به فضا فرستادند. یکی از این حیوانات شامپانزه ای به نام هم (Ham) بود که در 31 ژانویه 1961 به مدت 18 دقیقه در یک کپسول "مرکوری" پرواز کرد. اولین تلفات مربوط به برنامه های فضایی انسان در تاریخ 23 مارس 1961 رخ داد. والنتین بوندارنکو (Valentin V. Bondarenko) کارآموز کیهان نوردی شوروی بود که در سانحه آتش سوزی اتاقک فشار جان سپرد. سازمان های شوروی این حادثه را تا مدتها مخفی نگه داشتند. نخستین انسانی که به فضا رفت خلبان نیروی هوایی شوروی یوری گاگارین (Yuri A. Gagarin) بود. وی درون "وستوک" که بعدها "وستوک1" نام گرفت در تاریخ 12 آپریل 1961 به فضا فرستاده شد. 108 دقیقه پس از پرتاب او به سلامت یک دور کامل به دور زمین زده و فرود آمد. یک سیستم کنترل پرواز اتوماتیک، عملکرد فضاپیما را در تمام مدت پرواز در اختیار داشت. یک پرواز 25 ساعته با 17 دور گردش در مدار در آگوست همان سال توسط فضانوردی به نام گرمن تیتو (Gherman Titov) انجام گرفت. برنامه "مرکوری" اولین پرواز با سرنشین خود را درتاریخ 5 می 1961، در حالیکه یک راکت Redstone فضانورد آلن شپرد (Alan B. Shepard) را در کپسولی به نام Freedom 7 به فضا فرستاد، آغاز نمود. "شپرد" به مدت 15 دقیقه ماموریت "زیرمدار" خود را انجام داد. "زیرمدار" ماموریتی است که در آن سرعت و ارتفاع لازم برای گردش در مداری به دور زمین نمی رسد. نخستین گروه هفت نفره فضانوردان منتخب برای برنامه مرکوری عکس از ناسا در تاریخ 21 جولای 1961، یک پرواز "زیرمدار" که توسط فضانورد ویرجیل گریسام (Virgil I. Grissom) صورت گرفت پایانی تقریبا ناخوشایند داشت. دریچه کناری کپسول مرکوری پس از فرود در اقیانوس آتلانتیک خیلی زودتر از موقع پیش بینی شده باز شد و گریسام با شنا جان سالم به در برد. در تاریخ 20 فبریه 1962، جان گلن (John H. Glenn)، به عنوان نخستین آمریکایی دور زمین به گردش پرداخت. او در زمان کمتر از 5 ساعت 3 دور را کامل کرد. او مسیر کپسول خود را در جهات مختلف تغییر داد و سیستم های زیادی را آزمایش نمود و زمین را مشاهده کرد. سه ماه بعد ستاره شناس اسکات کارپنتر(M. Scott Carpenter) ماموریت گلن را تکرار کرد. در اکتبر 1962، با انجام گرفتن یک ماموریت شش دوره به دور زمین توسط والتر شیرا (Walter M. Schirra) آزمایش فضاپیماها گسترش یافت. آخرین ماموریت "مرکوری" در ماه می 1963، توسط گردن کوپر(Gordon Cooper) انجام شد و یازده روز به طول انجامید. در این میان، جماهیر شوروی ماموریت های "وستوک" را ادامه داد. د رآگوست 1962، "وستوک3" و "وستوک4" با فاصله یک روز ارسال شدند و در فضا در کنار هم قرار گرفتند. دو کپسول دیگر "وستوک5" . "وستوک6" د رژوئن 1963 ارسال شدند. یکی از خلبان ها تقریبا 5 روز در مدار ماند و رکوردی جدید بر جای گذاشت. خلبان دیگر والنتینا ترشکوا (Valentina Tereshkova) اولین زنی بود که پا به فضا گذاشت. وسخود (Voskhod) و جمینی (Gemini): اولین فضاپیماهای چند نفری در سال 1961، ایالات متحده برنامه "جمینی" که می توانست دو فضانورد را در یک کپسول بزرگ تر شده "مرکوری" حمل کند، آغاز نمود. این امر طراحان شوروی را بر آن داشت تا با ایجاد تغییراتی در فضاپیمای "وستوک" ، فضاپیمایی با ظرفیت سه فضانورد طراحی کنند. فشارهای سیاسی برای پیشی گرفتن از امریکا به حدی زیاد بود که مهندسین شوروی به منظور بزرگتر نمودن فضای داخل فضاپیما از برخی موارد ایمنی، از جمله صندلی خارج شونده چشم پوشی کردند. نخستین کپسول فضایی با ظرفیت چند سرنشین، "وسخود"، به معنای طلوع خورشید بود که بعدها به آن "وسخود1" گفته شد. این کپسول در 12 اکتبر 1964 پرتاب شد. فضانوردان ولادمیر کمارف (Vladimir M. Komarov)، کنستانتین فئوکتیستف(Konstantin P. Feoktistov) و بوریس یگورف(Boris B. Yegorov) 24 ساعت را در فضا سپری کردند. آنها اولین فضانوردانی بودند که در کپسول خود، به جای اقیانوس،بر روی زمین فرود آمدند. در مارس 1965، فضانورد الکسی لئونف(Alexei A. Leonov) با قدم گذاشتن در محفظه بادی که به "وسخود2" وصل می شد اولین انسانی بود که در فضا راه رفت. به دلیل نقص فنی که در سیستم کنترل پرواز اتوماتیک کپسول پیش آمد لئونف و پاول بلیایف (Pavel I. Belyayev) ناچار به فرود با سیستم غیراتوماتیک شدند. فرود در منطقه آماده سازی شده انجام نشد و آنها در یک جنگل دور افتاده فرود آمدند. آنها تا روز بعد که گروه نجات از راه رسید، با گرگهای گرسنه دست و پنجه نرم کردند. اولین فضانورد امریکایی که در فضا راه رفت ادوارد وایت در تاریخ 3 ژوئن 1965 عکس از ناسا نخستین ماموریت با سرنشین "جمینی" یعنی "جمینی3" در23 مارس 1965 آغاز شد. فضانوردان "گریسام" و جان یانگ (John W. Young) با مانور راکت های کپسول مسیر آن را به سمت فضا تغییر دادند. با ماموریت "جمینی4" که در تاریخ 3 ژوئن 1965 آغاز شد کمک خلبان ادوارد وایت (Edward H. White II) به عنوان اولین امریکایی که در فضا راه رفت شناخته شد. فضانوردی که در "جمینی5" بود و در تاریخ 21 آگوست 1965 ارسال شد، مدت 8 روز را در فضا سپری نمود. این رکورد با استفاده از سلول های سوخت برای تامین الکتریسیته به دست آمد. "جمینی6" از ابتدا با هدف اتصال به یک راکت "اجنا" که چند ساعت زودتر به فضا ارسال شود، برنامه ریزی شده بود. پس از آنکه راکت بدون سرنشین "اجنا" به دلیل نقص فنی از بین رفت، ناسا "جمینی6" را در ماموریت 14 روزه "جمینی7" به کار گرفت. "جمینی7" طبق برنامه در 4 دسامبر 1965، و " جمینی 6" یازده روز بعد به فضا ارسال شدند. "شیرا" و توماس استفورد (Thomas P. Stafford) فضاپیمای خود را تا فاصله 30 سانتیمتری "جمینی7" نزدیک بردند. سرنشینان " جمینی7" فرانک بورمن (Frank Borman) و جیمز لاول (James A. Lovell) بودند. آنها در فضاپیماهای خود ساعتها بدون جدا شدن فضاپیما ها از یکدیگر به دور زمین حرکت کردند. در 16 مارس 1966، "جمینی8 " با اتصال به راکت "اجنا" در فضا نخستین اتصال در فضا را انجام داد. البته فضاپیما به طور ناگهانی دچار نقص فنی شد ولی دو فضانورد آن "نیل آرمسترانگ" و دیوید اسکات (David R. Scott) موفق شدند که کنترل فضاپیما را در دست بگیرند و به طور اضطراری در اقیانوس آرام فرود آمدند. در چهار ماموریت آخر "جمینی"، آزمایشات نهایی برای اتصال در فضا و ماموریت خارج از فضاپیما (EVA) صورت گرفت. در این ماموریت ها، فضانوردان و کنترل کنندگان پرواز تجارب بسیاری نیز در خصوص مواجه شدن با چالش های سفر به ماه، کسب کردند. Oberg, James. "Space exploration." World Book Online Reference Center. 2004. World Book, Inc. http://www.worldbookonline.com/wb/Article?id=ar522550. ترجمه: لنا سجادیفر

محاسبات کوانتومي: كيوبيت‌ها

بيت‌هاي كوانتومي يا كيوبيت‌هاي معادل كوانتومي ترانزيستورهايي‌اند كه رايانه‌هاي امروزي را تشكيل داده‌اند. وجه مشترك تمام كيوبيت‌ها آن است كه مي‌توانند از وضعيتي به وضعيت ديگر سوئيچ شوند تغيير وضعيتي که مي‌توان از آن براي نشان دادن دوتايي (صفر و يك) اطلاعات استفاده نمود.
كيوبيت‌ها داراي يكي از چهار نوع ذره كوانتومي فوتون، الكترون، اتم و يون مي‌باشند. فوتون‌ها با يكديگر برهم‌كنش خوبي ندارند، اما مي‌توانند به آساني از نقطه‌اي به نقطه ديگر جابه‌جا شوند و اين خاصيت آنها را به گزينه‌اي مناسب جهت انتقال اطلاعات كوانتومي تبديل مي‌كند؛ الكترون‌ها، اتم‌ها و يون‌ها بر خلاف فوتون‌ها، به آساني با هم برهم‌كنش دارند، اما جابه‌جايي خوبي ندارند و به همين دليل براي پردازش و ذخيره اطلاعات كوانتومي بسيار مناسب مي‌باشند.

فوتون‌ها

ميدان الكتريكيِ فوتون‌هاي غير قطبي، در صفحه‌اي عمود بر جهت حركت فوتون به ارتعاش درمي‌آيد. اما ميدان‌هاي الكتريكي فوتون‌هاي قطبي، تنها در يكي از چهار جهت داخل صفحه (عمودي، افقي و در جهت دياگونال) مرتعش مي‌شود و اين دو جفت قطبش به ترتيب نشان‌دهنده وضعيت‌هاي صفر و يك هستند.
فوتون‌ها را مي‌توان با آينه و فيلترهاي قطبي‌كننده كنترل نمود. اين فيلترها تمام فوتون‌ها به غير از فوتون‌هاي با يك جهت قطبش معين را در خود نگه مي‌دارند. همچنين مي‌توان از چرخه موج يا فاز فوتون‌ها و نيز زمان رسيدن آنها، به جاي كيوبيت استفاده نمود.

الكترون‌ها

الكترون‌ها داراي دو جهت اسپين بالا و پايين، همانند دوقطب يك آهنربا، مي‌باشند و مي‌توان با استفاده از ميدان‌هاي الكتريكي مغناطيسي يا نوري، آنها را در يكي از اين دو وضعيت قرار داد. همچنين مي‌توان از موقعيت الكترون در يك نقطه كوانتومي براي نمايش يك عدد دوتايي (صفر يا يك) استفاده نمود.

اتم‌ها و يون‌ها

اتم‌ها و يون‌ها از الكترون‌ها پيچيده‌تر مي‌باشد و به روش‌هاي متعددي مي‌توان از آنها براي نمايش اطلاعات استفاده كرد. يون‌ها؛ در واقع؛ اتم‌هاي باردار هستند كه بار آنها ناشي از دريافت کردن و يا از دست دادن الكترون مي‌باشد.
اتم‌ها نيز همانند الكترون‌ها داراي جهت اسپيني هستند كه مي‌توان از آن براي نمايش يك رقم دوتايي در يك كيوبيت استفاده نمود. همچنين از موقعيت الكترون لايه خارجي اتم- در سطح انرژي پايين‌تر يا بالاتر- هم مي‌توان براي نمايش صفر و يك‌ها استفاده نمود. همچنين اتم‌هايي كه به دام انداخته شده و ثابت مي‌شوند داراي ارتعاشات كوانتومي گسسته‌اي خواهند بود كه از آن نيز مي‌توان در كيوبيت‌ها استفاده نمود. 
نوع چهارم كيوبيت‌هاي‌ اتمي، مبتني بر سطوح فوق ظريف يا ارتعاشات بسيار ريز سطوح اربيتال‌هاي الكتروني است كه حاصل برهم‌كنش‌هاي مغناطيسي بين هسته و الكترون است.

كيوبيت‌ها

كيوبيت‌ها از ذرات كنترل شده‌اي تشكيل شده‌اند و در واقع ابزارهاي به دام اندازي دارند. اين كيوبيت‌ها چهار نوع مي‌باشند: 
دام‌هاي يوني، نقاط كوانتومي، ناخالص‌هاي نيمه‌رسانا و مدارهاي ابررسانا.

دام‌هاي يوني

دام‌هاي يوني براي نگهداشتن هر كدام از يون‌ها از ميدان‌هاي مغناطيسي و يا نوري استفاده مي‌كنند. محققان تاكنون توانسته‌اند شش يون را دريك تك دام يوني نگه دارند. فناوري دام يوني به خوبي جا افتاده و احتمال دارد كه بتوان با استفاده از آن در سطح انبوه به توليد كيوبيت‌ها پرداخت. به دليل باردار بودن يون‌ها، آنها در برابر نويز زيست محيطي آسيب‌پذيري بيشتري نسبت به اتم‌هاي خنثا دارند.

نقاط كوانتومي

نقاط كوانتومي در واقع بيت‌هايي از مواد نيمه‌رسانا شامل يك يا چند الكترون است. اين نقاط كوانتومي را مي‌توان با الكترون‌هاي منفرد بارگذاري نمود و به آساني آنها را در ابزارها و تجهيزات الكترونيكي جاي داد در عين حال نمونه‌هاي اوليه نقاط كوانتومي تنها در دماهاي فوق‌العاده پايين كار مي‌كنند.

ناخالص‌هاي نيمه‌رسانا

اتم‌هاي قرار داده شده در مواد نيمه‌رسانا معمولاً ناخالصي يا نقص تراشه‌هاي رايانه‌اي به حساب مي‌آيند. ساخت تراشه خالص بسيار دشوار است و علي‌رغم تمام تلاش‌هاي انجام شده، در هر چند ميليارد اتم نيمه‌رسانا يك اتم ناخواسته وجود خواهد داشت.
كيوبيت‌هاي از جنس ناخالصي نيمه‌رسانا، از الكترون موجود در اتم‌هاي فسفر يا ديگر اتم‌هايي كه به طور مصنوعي در ماده نيمه‌رسانا قرار داده شده‌اند استفاده مي‌كنند و حالت اين الكترون‌ها را مي‌توان با استفاده از ليزر يا ميدان الكتريكي كنترل نمود.

مدارهاي ابررسانا

مدارهاي ابررسانا، مدارهايي الكتريكي هستند كه از مواد ابررسانا تشكيل شده‌اند در اين مواد امكان حركت الكترون‌ها تقريباً بدون هيچ‌گونه مقاومتي در دماي پايين فراهم مي‌شود. اين مدارها به چندين روش مي‌توانند كيوبيت‌ها را تشكل دهند. از جمله اين روش‌ها حرکت جريان الكتريكي است كه مي‌توان آن را در يك لحظه در دوجهت و در يك وضعيت كوانتومي ابرمكاني حرکت داد.
الكترون‌ها از طريق ابررسانا با جريان جفت مي‌شوند و ميلياردها از اين جفت‌ها،‌ ماده‌اي را تشكيل مي‌دهند كه وقتي ابررسانا يك شكاف بسيار ريز داشته باشد، به صورت يك ذره زيراتمي بزرگ عمل مي‌كند.
وقتي يكي از مدارها، از طريق اتصال Josephson،‌ به منبعي از جفت الكترون‌ها متصل شود، تعداد اين جفت الكترون‌ها تغيير مي‌كند و اين تغيير قابل اندازه‌گيري است. مدارهاي ابررسانا را مي‌توان با استفاده از همان روش‌هاي توليد نيمه‌رسانا ساخت. 
مزيت اساسي اين روش آن است كه از ميليون‌ها و يا ميلياردها الكترون استفاده مي‌شود و ديگر نيازي به كنترل تك‌تك ذرات نيست. البته عيب اين كار آن است كه انجام آن فقط در دماهاي بسيار پايين امكان‌پذير است.

دام‌هاي نوري

اتم‌هاي خنثاي به دام افتاده در دام‌هاي نوري، نوع ديگري از كيوبيت‌ها مي‌باشند که به علت قدرت كافي امواج نور در سطح اتمي براي به دام انداختن و كنترل ذرات، از آنها استفاده مي‌شود. كار اين دام‌ها بسيار شبيه آسياب بادي است. اتم‌ها آسيب‌پذيري كمتري در برابر نويز دارند، اما واداشتن آنها به هم‌‌كنش سخت‌تر است.

منبع:http://www.nano.ir

اصول گزيده اي از کامپيوترهاي کوانتومي

فيزيك كوانتومي مهم ترين دستاورد علم بشري در توصيف طبيعت است. اين نظريه كه در سالهاي 27-1925 توسط «ورنر هايزنبرگ»، «اروين شرودينگر»، «پل ديراك»، «ماكس پلانك» و چند تن ديگر پايه گذاري شد، اساس تمام ادراك امروزي ما از عالم است. به بيان دقيق تر، مكانيك كوانتومي مجموعه اي از قوانين، روابط رياضي و مفاهيم فلسفي است كه توصيف كننده رفتار ذرات بنيادين تشكيل دهنده عالم است. البته با تعميم همين قوانين و روابط، مي توان رفتار تمام سيستم هاي فيزيكي اي كه پيش از آن بررسي شده بودند را نيز بررسي و تعيين كرد.

اصول گزيده اي از کامپيوترهاي کوانتومي

         روياي محاسبات ماشيني يا ماشيني كه بتواند مسائل را در اشكال گوناگون حل كند كمتر از دو قرن است كه زندگي بشر را به طور جدي در بر گرفته است. اگر از ابزارهايي نظير چرتكه و برخي تلاشهاي پراكنده ديگر در اين زمينه بگذريم، شايد بهترين شروع را بتوان به تلاشهاي «چارلز بابيج» و « بلز پاسكال» با ماشين محاسبه مكانيكي شان نسبت داد. با گذشت زمان و تا ابتداي قرن بيستم تلاشهاي زيادي جهت بهبود ماشين محاسب مكانيكي صورت گرفت كه همه آنها بر پايه رياضيات دهدهي (decimal) بود، يعني اين ماشين ها محاسبات را همان طور كه ما روي كاغذ انجام مي دهيم انجام مي دادند. اما تحول بزرگ در محاسبات ماشيني در ابتداي قرن بيستم شروع شد. اين زماني است كه الگوريتم و مفهوم فرايندهاي الگوريتمي (algorithmic processes) به سرعت در رياضيات و بتدريج ساير علوم رشد كرد. رياضيدانان شروع به معرفي سيستم هاي جديدي براي پياده سازي الگوريتمي كلي كردند كه در نتيجه آن، سيستم هاي انتزاعي محاسباتي بوجود آمدند. در اين ميان سهم برخي بيشتر از سايرين بود.

         آنچه امروزه آنرا دانش كامپيوتر و يا الكترونيك ديجيتال مي ناميم مرهون و مديون كار رياضيدان برجسته انگليسي و يكي از غولهاي انديشه قرن بيستم به نام «آلن تورينگ» (Alan Turing) است. وي مدلي رياضي را ابداع كرد كه آنرا ماشين تورينگ مي ناميم و اساس تكنولوژي ديجيتال در تمام سطوح آن است. وي با پيشنهاد استفاده از سيستم دودويي براي محاسبات به جاي سيستم عدد نويسي دهدهي كه تا آن زمان در ماشين هاي مكانيكي مرسوم بود، انقلابي عظيم را در اين زمينه بوجود آورد. پس از نظريه طلايي تورينگ، ديري نپاييد كه «جان فون نويمان» يكي ديگر از نظريه پردازان بزرگ قرن بيستم موفق شد ماشين محاسبه گري را بر پايه طرح تورينگ و با استفاده از قطعات و مدارات الكترونيكي ابتدايي بسازد. به اين ترتيب دانش كامپيوتر بتدريج از رياضيات جدا شد و امروزه خود زمينه اي مستقل و در تعامل با ساير علوم به شمار مي رود. گيتهاي پيشرفته، مدارات ابر مجتمع، منابع ذخيره و بازيابي بسيار حجيم و كوچك، افزايش تعداد عمل در واحد زمان و غيره از مهم ترين اين پيشرفتها در بخش سخت افزاري محسوب مي شوند. در 1965 «گوردون مور» اظهار كرد كه توان كامپيوترها هر دو سال دو برابر خواهد شد. در تمام الين سالها، تلاش عمده در جهت افزايش قدرت و سرعت عملياتي در كنار كوچك سازي زير ساختها و اجزاي بنيادي بوده است. نظريه مور در دهه هاي 60 و 70 ميلادي تقريبا درست بود. اما از ابتداي دهه 80 ميلادي و با سرعت گرفتن اين پيشرفتها، شبهات و پرسش هايي در محافل علمي مطرح شد كه اين كوچك سازي ها تا كجا مي توانند ادامه پيدا كنند؟ كوچك كردن ترازيستورها و مجتمع كردن آنها در فضاي كمتر نمي تواند تا ابد ادامه داشته باشد زيرا در حدود ابعاد نانو متري اثرات كوانتومي از قبيل تونل زني الكتروني بروز مي كنند. گرچه هميشه تكنولوژي چندين گام بزرگ از نظريه عقب است، بسياري از دانشمندان در زمينه هاي مختلف به فكر رفع اين مشكل تا زمان رشد فن آوري به حد مورد نظر افتادند. به اين ترتيب بود كه براي نخستين بار در سال 1982 «ريچارد فاينمن» معلم بزرگ فيزيك و برنده جايزه نوبل، پيشنهاد كرد كه بايد محاسبات را از دنياي ديجيتال وارد دنياي جديدي به نام كوانتوم كرد كه بسيار متفاوت از قبلي است و نه تنها مشكلات گذشته و محدوديت هاي موجود را بر طرف مي سازد، بلكه افق هاي جديدي را نيز به اين مجموعه اضافه مي كند. اين پيشنهاد تا اوايل دهه 90 ميلادي مورد توجه جدي قرار نگرفت تا بالاخره در 1994 «پيتر شور» از آزمايشگاه AT&T در آمريكا نخستين گام را براي محقق كردن اين آرزو برداشت. به اين ترتيب ارتباط نويني بين نظريه اطلاعات و مكانيك كوانتومي شروع به شكل گيري كرد كه امروز آنرا محاسبات كوانتومي يا محاسبات نانو متري (nano computing) مي ناميم. در واقع هدف محاسبات كوانتومي يافتن روشهايي براي طراحي مجدد ادوات شناخته شده محاسبات ( مانند گيت ها و ترانزيستورها ) به گونه ايست كه بتوانند تحت اثرات كوانتومي، كه در محدوده ابعاد نانو متري و كوچكتر بروز مي كنند، كار كنند. به نمودار صفحه بعد دقت كنيد.

         در اين شكل به طور شماتيك و در سمت چپ يك مدار نيم جمع كننده را مشاهده مي كنيد كه معادل كوانتومي و نانو متري آن در سمت راست پيشنهاد شده است. نوع اتم هاي به كار رفته، نحوه چينش اتم ها، چگونگي ايجاد سلول نمايش يافته ( معماري سلولي ) و چند ويژگي ديگر خصوصيات معادل با گيت هاي به كار رفته در نمونه ديجيتال هستند. يك راه نظري براي پياده سازي سلول در اين طرح، استفاده از «نقاط كوانتومي» (quantum dots) يا چيزي است كه در زبان مكانيك كوانتومي آنرا «اتم مصنوعي » مي ناميم.

         ورود به دنياي محاسبات كوانتومي نيازمند دو پيش زمينه مهم است. نخست بايد اصول اساسي و برخي تعابير مهم فلسفي مكانيك كوانتومي را به طور دقيق بررسي كرد. سپس مفهوم اطلاعات در فيزيك نيز، چه به صورت كلاسيك و چه در معناي جديد كوانتومي آن بايد درك شود.

Quantum Mechanics

         فيزيك كوانتومي مهم ترين دستاورد علم بشري در توصيف طبيعت است. اين نظريه كه در سالهاي 27-1925 توسط «ورنر هايزنبرگ»، «اروين شرودينگر»، «پل ديراك»، «ماكس پلانك» و چند تن ديگر پايه گذاري شد، اساس تمام ادراك امروزي ما از عالم است. به بيان دقيق تر، مكانيك كوانتومي مجموعه اي از قوانين، روابط رياضي و مفاهيم فلسفي است كه توصيف كننده رفتار ذرات بنيادين تشكيل دهنده عالم است. البته با تعميم همين قوانين و روابط، مي توان رفتار تمام سيستم هاي فيزيكي اي كه پيش از آن بررسي شده بودند را نيز بررسي و تعيين كرد. پايه رياضي اين نظريه جبر خطي عالي است. مفاهيمي از قبيل فضاي هيلبرت ، ماتريس ها، عملگرها، ويژه توابع و ويژه مقادير و تيديلات از مهم ترين موارد مي باشند. در حيطه فيزيك نظريه نيز مباحثي همچون تابع موج، سيستم و تحول آن، فضاي حالت، اندازه گيريها و مكانيك آماري مورد بررسي قرار مي گيرند. همچنين در سطوح بسيار پيشرفته تر و پيشروي اين نظريه عناويني همچون مفهوم و كاربرد اسپين، نظريه اندازه گيري، متغيرهاي پنهان، مساله ناجايگزيدگي، نيروي كوانتومي و ميدان راهنما، پارادوكس EPR  و قضيه بل مطرح مي شوند.

         معرفي مكانيك كوانتومي به عنوان يك ساختمان كاري فيزيكي جديد در ابتداي قرن بيستم منجر به تحولي عظيم در ساختار  چند هزار ساله انديشه بشري شد. مكانيك كوانتومي در ابتداي ظهورش بيشتر از آنكه به يك نظريه انقلابي شباهت داشته باشد به نوعي توجيه براي پاره اي بديهيات تجربي شباهت داشت كه با فيزيك كلاسيك قابل بيان نبودند. سه اثر مهم اين نظريه عبارتند از: 1) از ميان برداشتن جبر گرايي كه همواره اصلي ترديد ناپذير در فيزيك كلاسيك بود، 2) گسترش مفاهيم فيزيك درباره پديده هايي كه تا پيش از آن توجيهي براي آنها وجود نداشت مانند رفتار اتم ها، مولكولها و ذرات زير اتمي و 3) با آمدن مكانيك كوانتومي اين تصور بنيادي نهفته در تفكر بشري كه واقعيتي عيني وجود دارد كه وجودش متكي بر مشاهده شدنش نيست، زير سوال رفت.

         در فيزيك، اصولا هر نظريه اي متشكل از يكسري مجردات خاص است كه آن نظريه درباره آنها بحث مي كند. هر زير مجموعه از اين مجردات كه هدف خاصي را دنبال مي كند يك سيستم در آن نظريه ناميده مي شود. در مكانيك كوانتومي، تمام ذرات بنيادي، تمام مواد شناخته شده در عالم، تمام خصوصيات فيزيكي مانند ميدانها، دماها و ... جزو مجردات مي باشند. به عبارت ديگر اين نظريه را مي توان براي هر موجود فيزيكي ( در معناي عام ) با هر اندازه و نوع به كار برد. به عنوان مثالهايي از چند سيستم كوانتومي مي توان به اتم هيدروژن با هدف تعيين موقعيت آن در يك جعبه سه بعدي، دو الكترون در يك شتابدهنده با هدف تعيين نتيجه حاصل از برخورد پر انرژي شان، يك حجم ديفرانسيلي از پرتوهاي كيهاني با هدف تعيين تكانه زاويه اي و  دو اتم در هم تافته با هدف تعيين حالت اسپيني شان اشاره كرد.

Physical Meaning of Information

         براي آنكه بدانيم در فيزيك منظورمان از اطلاعات دقيقا چيست، چند تعبير نسبتا متفاوت را از اطلاعات بايد مد نظر داشت. اين تعابير عبارتد از: 1) اطلاعات در غالب يك الگو، 2) اطلاعات در شكل ورودي حسي، 3) اطلاعات به مثابه تاثيري كه منجر به يك تغير شود و 4) اطلاعات به عنوان پيام. تعبير پيام بودن اطلاعات به آنچه در محاسبات و اطلاعات كوانتومي مطرح مي شود بسيار نزديك است. پيام بودن مستلزم آن است كه فرستنده اي به گيرنده اي مرتبط شود كه مرتبط با بحث كانال هاي ارتباطي است. البته پارازيت ها را در اين گروه قرار نمي دهيم زيرا مانع از جريان ارتباط شده و باعث بروز سوء تعبير مي شوند. اگر به اطلاعات صرفا با ديد پيام نگريسته شود، اين پيام لزوما نبايد دقيق يا درست باشد. پس اطلاعات هر نوع پيامي است كه فرستنده براي ايجاد كردن انتخاب مي كند و البته آنرا از طريق خاصي مي فرستد. اگر اطلاعات را به صورت پيام هايي كه بين فرستنده و گيرنده منتقل مي شوند فرض كنيم آنگاه مي توانيم با معياري آنها را اندازه گيري كرده و بسنجيم. اندازه گيري اطلاعات در غالب پيام، نخستين بار در 1948 توسط " كلود شانن " در نظريه اطلاعات مطرح شد. به طور خلاصه وي پيشنهاد كرد كه اگر فرستنده اي از يك مجموعه شامل N پيام با احتمال مساوي يكي را براي فرستادن انتخاب كند، در اينصورت اندازه " اطلاعاتي كه با انتخاب يك پيام از مجموعه بوجود آمده " لگاريتم در مبناي 2 عدد N است. انتخاب پايه لگاريتمي مطابق است با انتخاب يك واحد براي اندازه گيري اطلاعات. اگر از لگاريتم در پايه 2 استفاده كنيم واحدهاي حاصل را ارقام دودويي يا به اختصار بيت مي ناميم.

         با ورود فيزيك به عرصه محاسبات و اطلاعات تعابير مطرح شده توسط شانن در غالب هايي فيزيكي قرار گرفتند. مهم ترين غالب به كار رفته داخل كردن مفهوم آنتروپي براي توليد نظريه اطلاعاتي جديد بود كه در آن از مكانيك آماري كوانتومي استفاده مي شود. مفهوم اساسي آنتروپي در نظريه اطلاعات در ارتباط با اين مطلب است كه يك سيگنال يا يك رخداد اتفاقي تا چه حد تصادفي است. به عبارت ديگر مي توان پرسيد كه يك سيگنال چه ميزان از اطلاعات را حمل مي كند. براي نمونه متني را به انگليسي در نظر بگيريد كه با دنباله اي از حروف، فضاهاي خالي و علائم نگارشي كد گذاري شده است ( بنابراين، سيگنال ما در اينجا رشته اي از حروف است ). چون نمي توانيم پيش بيني كنيم كه كاراكتر بعدي دقيقا چيست، اين رشته ( يا در واقع سيگنال ) كاتوره اي است. آنتروپي در واقع معياري از اين كاتورگي است. آنتروپي يك منبع اطلاعاتي به معناي تعداد ميانگين بيت ها به ازاي علامت لازم براي كد گذاري آنها است. البته توجه به دو نكته ضروري است: اول آنكه بسياري از بيت هاي داده اي ممكن است هيچ نوع اطلاعاتي را نرسانند و دوم اينكه مقدار آنتروپي هميشه عدد صحيحي از بيت ها نيست.

         با معرفي اطلاعات فيشر به عنوان تعبير نهايي فيزيكي اطلاعات، رهيافت به حداكثر رساندن اطلاعات فيزيكي از طريق تغيير دامنه احتمال سيستم، اصل اطلاعات فيزيكي فرين (EPI) در واقع ابزاري براي كشف قوانين خالص علم است. تا آنجا كه به فيزيك مربوط مي شود، قوانين طبيعي در غالب معادلات ديفرانسيل يا توابع توزيع آشكار مي شوند، مانند تابع موج شرودينگر يا تابع توزيع فرمي- ديراك. اصل EPI بر اين تفكر استوار است كه مشاهده يك پديده " منبعي " هرگز به طور كامل دقيق نيست. يعني اطلاعات به حتم در گذر از منبع تا مشاهده شدن، گم مي شوند. مقدار بيشينه در اغلب مشاهدات كمينه است !! يعني در مشاهداتي كه انجام مي دهيم همواره تلاش مي كنيم تا به حداكثر اطلاعات توصيف كننده ساختار مورد نظر دست پيدا كنيم. مفهوم معرفي شده در اين قسمت چكيده مختصري از مفهوم اطلاعات فيزيكي است. در نظريه اطلاعات كوانتومي، بسياري از اين موارد دستخوش تغيير مي شوند.

Classical Computation

         محاسبات بدون در نظر گرفتن نوع آن، دانشي است كه براي پردازش اطلاعات بوجود آمد. به عبارت دقيق تر، از اصول محاسبات براي پردازش اطلاعات استفاده مي كنيم و از نتيجه حاصل از آن براي برقراري ارتباط با ساير مجموعه هاي فيزيكي بهره مي گيريم. علاوه بر مباني رياضي، در دانش محاسبات، مدل هايي وجود دارند كه پردازش اطلاعات با استفاده از آنها توصيف مي شود. اساسي ترين مدل، مدل ماشين تورينگ است كه قبلا به آن اشاره شد. درك كامل اين مدل به عنوان سنگ بناي دانش اطلاعات اهميت به سزايي دارد. بر اساس همين ساختار نظري، مدل مداري بوجود آمد كه منطق دودويي را به صورت فيزيكي مورد استفاده قرار داد. اين مدل، اساس دانش محاسبات و الكترونيك ديجيتال امروزي است كه در آن از جبر سوئيچينگ كه اصلاح شده جبر بول دو ارزشي است استفاده مي شود. در نظريه مداري مي توان با چند جزء اساسي و اوليه، اعمال گوناگوني را روي واحدهاي اطلاعاتي انجام داد. در واقع يك فرآيند محاسبه اي، به صورت دنباله اي از اين اعمال در نظر گرفته مي شود كه روي رشته اي از واحدهاي اطلاعاتي اجرا مي شوند. علي رغم قدرت بالايي كه سيستمهاي محاسباتي مبتني بر مدل هاي مداري تا امروز بدست آورده اند، بايد خاطر نشان كرد كه هنوز هم در اين فضا مسائلي وجود دارند كه از اين نظر غير قابل حل بوده يا به عبارت بهتر حل و محاسبه آنها با در نظر گرفتن منابع زماني و انرژي، امكان پذير نيست. از اين رو در هر مدل محاسباتي همواره بايد درك كاملي نيز از منابع محاسباتي، كلاسهاي پيچيدگي و محاسبه پذيري داشت.

Quantum Computation

         كامپيوتر تنها بخشي از دنيايي است كه ما آنرا دنياي ديجيتالي مي ناميم. پردازش ماشيني اطلاعات، در هر شكلي، بر مبناي ديجيتال و محاسبات كلاسيك انجام مي شود. اما كمتر از يك دهه است كه روش بهتر و قدرتمندتر ديگري براي پردازش اطلاعات پيش رويمان قرار گرفته كه بر اساس مكانيك كوانتومي مي باشد. اين روش جديد با ويژگيهايي همراه است كه آنرا از محاسبات كلاسيك بسيار متمايز مي سازد. گرچه محاسبات دانشي است كه اساس تولد آن در رياضيات بود، اما كامپيوترها سيستم هايي فيزيكي هستند و فيزيك در آينده اين دانش نقش تعيين كننده اي خواهد داشت. البته وجود تفاوت بين اين دو به معناي حذف يكي و جايگزيني ديگري نيست. به قول «نيلس بور» گاهي ممكن است خلاف يك حقيقت انكار ناپذير منجر به حقيقت انكار ناپذير ديگري شود. بنابراين محاسبات كوانتومي را به عنوان يك زمينه و روش جديد و بسيار كارآمد مطرح مي كنيم. وجود چند پديده مهم كه مختص فيزيك كوانتومي است، آنرا از دنياي كلاسيك جدا مي سازد. اين پديد ه ها عبارتند از: بر هم نهي(superposition) ، تداخل (interference) ، Entanglement ، عدم موجبيت (non determinism) ، نا جايگزيدگي (non locality) و تكثير ناپذيري (non clonability) . براي بررسي اثرات اين پديده ها در اين روش جديد، لازم است كه ابتدا واحد اطلاعات كوانتومي را معرفي كنيم.

         هر سيستم محاسباتي داراي يك پايه اطلاعاتي است كه نماينده كوچكترين ميزان اطلاعات قابل نمايش، چه پردازش شده و چه خام است. در محاسبات كلاسيك اين واحد ساختاري را بيت مي ناميم كه گزيده واژه «عدد دودويي» است زيرا مي تواند تنها يكي از دو رقم مجاز صفر و يك را در خود نگه دارد. به عبارت ديگر هر يك از ارقام ياد شده در محاسبات كلاسيك، كوچكترين ميزان اطلاعات قابل نمايش محسوب مي شوند. پس سيستم هايي هم كه براي اين مدل وجود دارند بايد بتوانند به نوعي اين مفهوم را عرضه كنند. در محاسبات كوانتومي هم چنين پايه اي معرفي مي شود كه آنرا كيوبيت (qubit) يا بيت كوانتومي مي ناميم. اما اين تعريف كيوبيت نيست و بايد آنرا همراه با مفهوم و نمونه هاي واقعي و فيزيكي درك كرد. در ضمن فراموش نمي كنيم كه كيوبيت ها سيستم هايي فيزيكي هستند، نه مفاهيمي انتزاعي و اگر از رياضيات هم براي توصيف آنها كمك مي گيريم تنها بدليل ماهيت كوانتومي آنها است.

         در فيزيك كلاسيك براي نگه داري يك بيت از حالت يك سيستم فيزيكي استفاده مي شود. در سيستم هاي كلاسيكي اوليه ( كامپيوترهاي مكانيكي ) از موقعيت مكاني دندانه هاي چند چرخ دنده براي نمايش اطلاعات استفاده مي شد. از زمانيكه حساب دودويي براي محاسبات پيشنهاد شد، سيستم هاي دو حالتي انتخابهاي ممكن براي محاسبات عملي شدند. به اين معني كه تنها كافي بود تا سيستمي دو حالت يا دو پيكربندي مشخص، متمايز و بدون تغيير داشته باشد تا بتوان از آن براي اين منظور استفاده كرد. به همين جهت، از بين تمام كانديداها، سيستم هاي الكتريكي و الكترونيكي براي اين كار انتخاب شدند. به اين شكل، هر بيت، يك مدار الكتريكي است كه يا در آن جريان وجود دارد يا ندارد.

         هر بيت كوانتومي يا كيوبيت عبارت است از يك سيستم دودويي كه مي تواند دو حالت مجزا داشته باشد. به عبارت فني تر، كيوبيت يك سيستم دو بعدي كوانتومي با دو پايه به شكل  و  است. البته نمايش پايه ها يكتا نيست، به اين دليل كه بر خلاف محاسبات كلاسيك در محاسبات كوانتومي از چند سيستم كوانتومي به جاي يك سيستم ارجح استفاده مي كنيم. اولين كانديد براي نمايش كيوبيت استفاده از مفهوم اسپين است كه معمولا اتم هيدروژن براي آن به كار مي رود. در اندازه گيري اسپين يك الكترون، احتمال بدست آمدن دو نتيجه وجود دارد: يا اسپين رو به بالاست كه با آنرا با  نشان مي دهيم و معادل  است و يا رو به پائين است كه با  نشان مي دهيم و معادل است با _|1>| . بالا يا پائين بودن جهت اسپين در يك اندازه گيري از آنجا ناشي مي شود كه اگر اسپين اندازه گيري شده در جهت محوري باشد كه اندازه گيري را در جهت آن انجام داده ايم، آنرا بالا و اگر در خلاف جهت اين محور باشد آنرا پائين مي ناميم. علاوه بر اسپين از وضع قطبش يك پرتو فوتوني و نيز سطوح انرژي مجزاي يك اتم دلخواه نيز مي توان به عنوان سيستم كيوبيتي استفاده كرد. شايد بتوان مهم ترين تفاوت بيت و كيوبيت را در اين دانست كه بيت كلاسيك فقط مي تواند در يكي از دو حالت ممكن خود قرار داشته باشد در حاليكه بيت كوانتومي مي تواند به طور بالقوه در بيش از دو حالت وجود داشته باشد. تفاوت ديگر در اينجاست كه هرگاه بخواهيم مي توانيم مقدار يك بيت را تعيين كنيم اما اينكار را در مورد يك كيوبيت نمي توان انجام داد. به زبان كوانتومي، يك كيوبيت را با عبارت  نشان مي دهيم. حاصل اندازه گيري روي يك كيوبيت حالت |o> را با احتمال C₁² و حالت |1>| را با احتمال C₂² بدست مي دهد. البته اندازه گيري يك كيوبيت حتما يكي از دو نتيجه ممكن را بدست مي دهد. از سوي ديگر اندازه گيري روي سيستم هاي كوانتومي حالت اصلي آنها را تغيير مي دهد. كيوبيت در حالت كلي در يك حالت بر هم نهاده از دو پايه ممكن قرار دارد. اما در اثر اندازه گيري حتما به يكي از پايه ها برگشت مي كند. به اين ترتيب هر كيوبيت، پيش از اندازه گيري شدن مي تواند اطلاعات زيادي را در خود داشته باشد.

         بر اساس اصل برهم نهي، هر سيستم كوانتومي كه بيش از يك حالت قابل دسترس دارد، مي تواند به طور همزمان در يك تركيب خاص از آن حالت ها هم قرار داشته باشد. در اصطلاح مي گوئيم كه سيستم كوانتومي علاوه بر حالت هاي ناب يك يا چند حالت آميخته يا بر هم نهيده (blend or superposed) نيز دارد. پس اگر يك ساختار حافظه اي n كيوبيتي داشته باشيم، طبق اين اصل، اين تعداد مي توانند در پيكربندي متمايز وجود داشته باشند. به اين ترتيب يك كامپيوتر كوانتومي اين امكان را      مي يابد كه مانند يك كامپيوتر موازي كلاسيك بسيار پر قدرت عمل كند كه در يك لحظه روي چندين مسير اطلاعاتي پردازش مي كند. البته مشاهده و متمايز كردن تك تك اين محاسبه گرهاي كوانتومي غير ممكن است. چون كامپيوتر كوانتومي با تعداد بسيار زيادي مسير محاسباتي كار مي كند، مي توان كاري كرد كه اين محاسبات با هم تداخل يا بر هم تاثير هم داشته باشند. به عبارتي، محاسباتي كه به طور موازي با هم انجام مي شوند طبق اصل تداخل مي توانند اثر هم را تقويت يا تضعيف كنند. در نتيجه محاسبه اي شبكه اي بوجود مي آيد كه نوعي خاصيت جمعي از تمام محاسبات را نشان مي دهد. خاصيت بسيار شگفت انگيز در مكانيك كوانتومي خاصيت در هم تافتگي است. اگر دو يا چند كيوبيت را در بر هم كنش با هم قرار دهيم، مي توانند براي مدتي در يك حالت كوانتومي مشترك قرار بگيرند به طوريكه نتوان آن حالت را به شكل حاصلضربي از حالت هاي جدا از هم اوليه نشان داد. حالت اين واحدهاي اطلاعاتي را گنگ يا نادقيق (fuzzy) مي ناميم. يك نتيجه مهم entanglement اين است كه يك جفت كيوبيت در هم پيچيده روي يكديگر تاثير همزماني را مي گذارند كه به فاصله آنها از يكديگر و ماده اي كه اين فاصله را پر مي كند بستگي ندارد. يك جفت در هم تافته با هم مخلوط نمي شوند بلكه تنها به طور كوانتومي با هم بر هم كنش مي كنند.

Physical Implementation

         نسل اول ماشين هاي محاسبه گر اينچنيني، در واقع تماما كوانتومي نيستند. به اين معني كه تنها سعي شده است تا بخش سخت افزاري آنها بتواند در مقياس نانو و با تكيه بر مكانيك كوانتومي عمل كند. اما الگوريتم ها يا همان نرم افزارهايي كه اين كامپيوترها اجرا مي كنند، كماكان كلاسيكي هستند. از اين رو آنها را «كامپيوترهاي كلاسيكي در مقياس نانو» مي نامند. اما از آغاز قرن جديد، هدف فيزيكدانان طراحي الگوريتم هاي كوانتومي و مطابقت دادن آنها با سيستم هاي سخت افزاري پيشنهادي است تا به يك كامپيوتر كوانتومي واقعي برسند.

در سمت چپ تصوير فوق يك ترانزيستور تك الكتروني (SET) و در سمت راست عنصر محاسباتي كوانتومي يعني يك مولكول قرار دارد. مولكول فوق مربوط به كلروفرم به فرمول  است. اين مولكول ( كه در آن از اتم كربن 13 استفاده مي شود ) مانند يك آهن رباي كوچك عمل مي كند كه مي تواند با ميدانهاي مغناطيسي خارجي بر هم كنش داشته باشد. اسپين هاي هسته اي منابع ذخيره و پردازش اطلاعات هستند.

         قرن نوزدهم به قرن ماشين معروف شد. قرن بيستم نيز قرن روشهاي پردازش اطلاعات شد. اما بي شك بايد قرن بيست و يكم را صده مهندسي كوانتومي ناميد. همان طور كه ظهور مكانيك كوانتومي در يكصد سال پيش، مكانيك نيوتني را نقض نكرد بلكه آنرا تكميل تر كرد، ظهور كامپيوترهاي كوانتومي نيز به معني كنار گذاشتن محاسبات كلاسيك نيست. هدف دانشمندان تنها يافتن روشي براي بدست آوردن پرسش هاي بنيادين خود درباره طبيعت و نحوه عملكرد آن است. پس طبيعي است كه در اختيار داشتن يك ابزار محاسباتي بسيار سريع و كارآمد تا چه حد مي تواند در اين امر ياري رسان باشد. محاسبات و اطلاعات كوانتومي زمينه اي بسيار پيشرفته و نوپا در فيزيك است كه گرچه حركت آن در مقايسه با ساير زمينه ها هنوز كند است اما در مدت كمتر از 10 سال از يك به اصطلاح تئوري محض كه هيچ اميدي به محقق شدن آن نمي رفت، امروز به يك فرآورده عملي تبديل شده و به سرعت در حال پيشروي است. مراكز تحقيقاتي بزرگي در اروپا و آمريكاي شمالي از جمله انيستيتو پريميتر در كانادا، شركت IBM ، دانشگاههايي همچون آكسفورد، MIT ، هاروارد، پرينستون و چندين مركز ديگر به طور جدي روي اين موضوع مشغول تحقيق هستند. هنر فيزيك، تغيير نگرش بشر به عالم پيرامون و توصيف پديده هايي است كه مدتها برايمان جزو اسرار بودند. امروز اعتقاد داريم كه عالم در غالب يك كل، خود يك كامپيوتر كوانتومي است. اما اين ماشين چطور كار مي كند؟ برنامه ريزي و هدايت آن چطور صورت مي گيرد؟ و اينكه اصلا هدف از اين همه محاسبه چيست؟ چيستي عالم محاسباتي، همان غايت نظر فيزيكدانان است، اينكه از كجا آمده ايم و به كجا مي رويم. شايد روزي پس از عقبگرد عالم به نزديكي روزگار نخستينش، در آن انقباض دور از ذهن، در «نقطه امگا» پاسخ تمام پرسش هايمان را بيابيم.

Maysam Tehrani

منبع:http://www.nano.ir