ماشین باز

بیگ بنگ: فیزیکدانان ادعا می‌کنند مدل ریاضیاتی ماشین زمان را ساخته‌اند. منظور از ماشین زمان جعبه‌ای است که می‌تواند در فضا و زمان به جلو و عقب سفر کند. آنان می‌گویند نکته‌ی این کار استفاده از خمیدگی فضا-زمان در جهان است که زمان را برای مسافران فرضی در جعبه همچون دایره‌ای خم می‌کند و این دایره به آنها این امکان را می‌دهد که به آینده و یا گذشته سفر کنند. به گزارش بیگ بنگ، بن تیپت که فیزیکدان و ریاضیدان نظری دانشگاه بریتیش کلمبیا در کانادا است می‌گوید:« مردم گمان می‌کنند سفر در زمان افسانه و خیال است و ما ترجیح می‌دهیم فکر ‌کنیم ممکن نیست زیرا این کار تابحال انجام نشده است. اما از نظر ریاضیاتی این کار ممکن است.» تیپت همراه با دکتر دیوید سانگ که اخترفیزیکدانی از دانشگاه مریلند است با استفاده از نظریه‌ی نسبیت خاص اینشتین، مدلی ریاضیاتی از آنچه که TRADIS می‌نامند ارائه داده‌اند. پیش از آنکه به بحث مدل ریاضیاتی ماشین زمان برگردیم اجازه دهید که تاکید کنیم دانشمندان ادعا نمی‌کنند نقشه‌ای از ماشین زمان مشابه با ماشین زمان دکتر هو دارند که همین فردا بتوان پروژه‌ی ساخت آن را شروع کرد. آنها می‌گویند موادی که ما برای ساخت ماشین زمان نیاز داریم بسیار عجیب و غریب ‌می‌باشند و هنوز کشف نشده‌اند… ابتدا در مورد آنچه که سانگ و تیپت در واقع پیشنهاد داده‌اند صحبت کنیم. این مدل بر اساس این ایده است که به جای دیدن دنیا در سه بعد فضایی و یک بعد جدای زمان باید هر چهار بعد را باهم تصور کنیم. این طرز نگاه به ما اجازه می‌دهد تا  یک زنجیره‌ی فضا-زمان را در نظر بگیریم که جهات مختلف فضا و زمان همگی در ساختار منحنی جهان به هم پیوسته‌ باشند. نظریه‌ی نسبیت اینشتین، اثرات گرانشی در جهان را به یک انحنا از فضا-زمان که به نظر می‌رسد پدیده‌ی مسئول مدارهای بیضوی سیارات و ستارگان باشد مرتبط می‌سازد. اگر فضا-زمان مسطح یا غیر منحنی بود باید سیارات در خطی راست حرکت می‌کردند. اما بر اساس نظریه‌ی نسبیت، هندسه‌ی فضا-زمان در مجاورت اجرام با جرم زیاد خمیده می‌شود که سبب انحنا پیدا کردن مسیر سیارات و گردش به دور ستاره‌ی نزدیکشان می‌شود. سانگ و تیپت می‌گویند فقط فضای فیزیکی در جهان نیست که می‌تواند خم شده و پیچ و خم یابد. زمان نیز در نزدیکی اجرام با جرم زیاد می‌تواند خمیده شود. تیپت می‌گوید:« مسیر زمان سطح فضا-زمان نیز خمیدگی‌هایی نشان می‌دهد. شواهدی وجود دارد که نشان می‌دهند هرچه به یک سیاهچاله نزدیک‌تر باشیم زمان کندتر می‌گذرد. مدل من از یک ماشین زمان از فضا-زمان خم شده استفاده می‌کند تا زمان را به صورت یک دایره برای مسافران خم کند. این دایره می‌تواند ما را در زمان به عقب ببرد.» فیزیکدانان به منظور استفاده از این مشخصه‌ی نظری پیشنهاد ساخت یک نوع حباب از هندسه‌ی فضا-زمان را داده‌اند که هر چه درون آن می‌باشد را در فضا و زمان بر روی یک مسیر دایره‌ای بزرگ حمل می‌کند. اگر این حباب بتواند به سرعتی بیش از سرعت نور دست یابد –سانگ و تیپت می‌گویند این امکان پذیر است – امکان برگشت در زمان فراهم می‌شود. محققان در مقاله‌ی خود توضیح می‌دهند:« این جعبه‌ای است که در فضا و زمان بر روی یک مسیر دایره‌ای به گذشته و آینده سفر می‌کند. نظاره‌کنندگان خارجی قادر خواهند بود تا مسافران زمان در جعبه‌هایی که به گذشته سفر می‌کنند مشاهده کنند که خامه از قهوه‌ی آنها جدا می‌شود و تخم مرغ شکسته سالم می‌شود.» ایده‌ی اصلی را می‌توانید در شکل زیر ببینید. در این تصویر یک مسافر داخل حباب/ماشین زمان (شخص A) و یک نظاره‌کننده‌ی خارجی که کنار آن ایستاده است را می بینید(شخص B). بردار زمان که در شرایط عادی (حداقل در جهان ما) همیشه به جلو اشاره می‌کند و گذشته را شکل می‌دهد با بردار مشکی نشان داده شده است. هر دو شخص A و B به طور بسیار متفاوتی زمان را تجربه می‌کنند. محققان توضیح می‌دهند:« A در داخل حباب حوادث رخ داده برای B را به طور دوره‌ای می‌بیند که رخ می‌دهند و سپس معکوس می‌شوند. B در خارج حباب دو نسخه از A را می‌بیند که از یک مکان نشات می‌گیرند: ساعت دست یکی از این نسخه‌ها ساعتگرد و دیگری پادساعتگرد می‌چرخد.» به عبارت دیگر نظاره‌گر خارجی دو نسخه از موارد داخل ماشین زمان می‌بیند: یک نسخه که در زمان به جلو می‌رود و دیگری که به عقب می‌رود. مدل تیپت و سانگ منطقی به نظر می‌رسد اما مشکل این است که مواد لازم برای آنچه این دو پیشنهاد می‌دهند را نداریم. تیپت می‌گوید:« گرچه این کار از لحاظ ریاضیاتی شدنی است اما هنوز ساخت ماشین فضا-زمان به دلیل موادی که برای خم کردن فضا-زمان لازم دارد (ما این مواد را مواد بیگانه می‌نامیم) شدنی نیست و لازم است تا ابتدا این مواد را کشف کنیم.» ایده‌ی آنها ایده‌ی نظری ماشین زمان دیگری به نام آلکوبیر را به یاد می‌آورد که آن نیز از پوسته‌ای ساخته شده از مواد بیگانه برای جابه‌جا کردن مسافران در زمان و مکان استفاده می‌کند. هر دوی این ایده‌ها بدون یافتن ایده‌هایی برای تولید مواد لازم خم‌کننده‌ی فضا-زمان امکان پیشرفت ندارند اما تیپت می‌گوید ما همیشه از احتمالات سفر در زمان شگفت زده می‌شویم و ایده‌ی ما فقط یک مسیر دیگر به سمت فیزیک پیچیده‌ی سفر در زمان است. او می‌گوید:« مطالعات فضا-زمان پر مساله و همچنین جذاب هستند. متخصصان این زمینه از سال ۱۹۴۹ در حال بررسی احتمالات ریاضیاتی ماشین سفر زمان می‌باشند و تحقیقات من روشی جدید برای این کار ارائه می‌دهد.» جزئیات بیشتر این پژوهش در مجله‌ی Classical and Quantum Gravity منتشر شده است. ترجمه: معصومه رحیمی/ سایت علمی بیگ بنگ منبع: sciencealert.com

بیگ بنگ: ماشین کوانتومی انیگما توسط محققان دانشگاه‌های روچستر، MIT و موسسه ی ملی استاندارد و تکنولوژی طراحی و تولید شده است. محققان دانشگاه روچستر، پا را از مرز تئوری فراتر گذاشته‌اند و برای نخستین بار ثابت کردند که می‌توانند یک پیغام رمزگذاری شده‌ی غیر قابل شکستن را با کلیدی که بسیار کوچک‌تر از آن پیغام است، ارسال نمایند. به گزارش بیگ بنگ، تا به امروز، پیغام‌های رمزگذاری شده با امنیت بالا، با استفاده از سیستمی که توسط ریاضیدان آمریکایی کلود شانون (که از او با عنوان پدر تئوری اطلاعات یاد می‌کنند) طراحی شده بود ترجمه و شکسته می‌شد. شانون دانش خود در زمینه‌های جبر و مدارهای الکتریکی را ترکیب کرد و توانست سیستم دوتایی خاصی را برای ترجمه‌ی پیام‌های امنیتی رمزگذاری شده طراحی کند. این سیستم با سه شرط قابل اجرا بود: کدها تصادفی انتخاب شوند، هر کد فقط یک مرتبه استفاده شده باشد و طول کدها حداقل به اندازه‌ی طول خود پیغام باشند. این یافته‌ توسط دانیل لوم، دانشجوی فارغ‌التحصیل فیزیک، و پروفسور فیزیک جان هاول، انجام شده است. هاول در این خصوص گفت: پژوهش دانیل به اندازه‌ی یک قدم بسیار مهم و رو به جلو نه تنها برای رمزگذاری بلکه برای قفل داده‌ها به صورت کوانتومی حائز اهمیت میباشد. قفل کردن داده‌ها به صورت کوانتومی، روشی برای رمزگذاری است که توسط پروفسور اطلاعات کوانتومی “ست لوید” در موسسه‌ی تکنولوژی ماساچوست طراحی شده است. در این تکنولوژی از فوتون‌ها، کوچکترین بسته‌های نوری، برای حمل پیام‌ها استفاده می‌شود. در ابتدا تصور می‌شد که قفل کردن داده‌ها به صورت کوانتومی با محدودیت‌هایی برای رمزگذاری پیام‌ها با امنیت بالا همراه است؛ اما لوید این موضوع را اینگونه توضیح داد که با افزودن متغیرها و احتمالات بیشتر که شامل ایجاد پیوند میان نور و ماده می‌شد، می‌توان به یک روش بسیار ایمن برای انتقال داده‌ها دست یافت. در حالی که سیستم باینری (دوتایی) که پیش از این وجود داشت تنها یکی از دو حالت روشن و خاموش را برای هر بیت از اطلاعات مجاز می‌دانست، امواج فوتون می‌توانند راه‌های بسیار بیشتری را جایگزین کنند: زاویه‌ی شتاب می‌تواند تغییر کند، امواج می‌توانند بلندتر و یا کوتاه‌تر از خود پیام باشند، و اندازه‌ی دامنه‌ی امواج را می‌توان براساس نوع کدگذاری اصلاح کرد. از آنجایی که یک فوتون بسیار متغیر است و عدم قطعیت‌های بسیار زیادی در اندازه‌گیری در مقیاس کوانتومی وجود دارد، کلیدهای کوانتومی برای رمزگذاری و یا شکستن یک پیغام می‌توانند از خود آن ‌پیغام کوتاه‌تر باشند. سیستم لیود تا سال ۲۰۱۶ (یعنی امسال!) به صورت یک تئوری باقیمانده بود. تا زمانیکه لیوم و تیم تحقیقاتی‌اش دستگاهی را طراحی کردند، یک ماشین کوانتومی انیگما، و با استفاده از آن تئوری را به یک سیستم عملی و کاربردی تبدیل کردند. نام این دستگاه از ماشین رمزگذاری‌ای که ارتش آلمان در جنگ جهانی دوم استفاده می‌کرده، گرفته شده است. دستگاه انیگمای اولیه از یک سیستم کدگذاری استفاده می‌کرده که سازمان‌های اطلاعاتی لهستان و انگلستان قادر به شکستن آن بودند. بیائید فرض کنیم که آلیس می‌خواهد به باب یک پیغام رمزگذاری شده بدهد. آلیس از دستگاه برای تولید فوتون‌هایی استفاده می‌کند که در فضای آزاد سفر می‌کنند و به یک مدولاتور فضایی نوری(SLM) می‌رسند. این مدولاتور خواص فوتون‌های مجزا (مانند شتاب، دامنه و..) به گونه‌ای تغییر می‌دهد که پیام مورد نظر به صورت امواج تخت ولی زاویه‌دار کدگذاری شده و توانایی متمرکز شدن بر روی یک نقطه‌ی منحصر به فرد، که براساس شیب امواج تعیین می‌شود، را داشته باشند. این مدولاتور فضایی نوری کار دیگری نیز می‌کند: آن زوایای فوتون‌ها را براساس یک الگوی تصادفی به گونه‌ای منحرف می‌کند که امواج دیگر تخت نباشند و توانایی متمرکز شدن بر روی یک نقطه‌ی خاص را نداشته باشند. آلیس و باب هر دو کلیدهای شناسایی عملیات منحرف شدن زوایای فوتون‌ها را می‌شناسند بنابراین، باب می‌تواند با استفاده از دولاتور فضایی نوری خود امواج را مجددا مسطح کرده و فوتون‌ها را در نقطه‌ی مورد نظر متمرکز کند و به این صورت، خواص جایگزین شده را ترجمه کرده و به المنت‌های پیام اصلی تبدیل نماید. به منظور بهبود و اصلاح زوایای فوتون‌ها، لیوم و تیم همراهش از اصل عدم قطعیت استفاده کردند. این اصل بیان می‌کند که هرچه ما در خصوص یک ویژگی از یک ذره بیشتر بدانیم در خصوص دیگر ویژگی‌های آن کمتر خواهیم دانست (به عبارت بهتر اندازه‌گیری همزمان و با دقت ۱۰۰ درصد در یک لحظه از تکانه(سرعت) و مکان یک ذره آگاهی پیدا کرد) بر همین اساس، پژوهشگران توانستند شش بیت از اطلاعات قدیمی را با استفاده از تنها یک بیت از کلید، رمزگذاری کنند. به این عملیات قفل کردن داده‌ها می‌گویند. لیوم در خصوص این دستگاه می‌گوید: « درست است که دستگاه‌ها به دلیل از دست دادن فوتون‌ها، صد در صد ایمن نمی‌باشند اما این دستگاه نشان می‌دهد که رمزگذاری پیام‌ها با استفاده از قفل کوانتومی، چیزی فراتر از یک فرضیه می‌باشد.» هدف نهایی ماشین انیگمای کوانتومی، جلوگیری از حضور یک شخص سوم، مثلا فردی به نام ایو، در متوقف کردن و یا رمزگشایی فرآیند انتقال داده‌ها می‌باشد. یک اصل حیاتی در تئوری کوانتوم وجود دارد که می‌گوید: حرکت مردابی برای اندازه‌گیری در یک سیتم کوانتومی کل سیستم را تغییر خواهد داد. در نتیجه، ایو تنها یک شانس برای ترجمه و رمزگشایی پیام خواهد داشت که موفق شدن در آن تقریبا غیر ممکن به نظر می‌رسد و در نتیجه تعداد نامحدودی(نزدیک به بی نهایت) الگوی حرکتی برای هر فوتون وجود خواهد داشت. مقاله لیوم و هاول یکی از دو مقاله‌ای بود که به صورت همزمان و با یک موضوع کاملا مشترک، منتشر شد. قفل کردن داده‌ها به صورت کوانتومی، عنوان مقاله‌ای بود که توسط فیزیکدان چینی به نام جیان-وی‌پن منتشر شد. لیوم در خصوص انجام این فرآیند گفته است:« شانس اندکی وجود دارد که عملیات فضای آزاد ما بتواند در شرایط جوی کاربردی و مفید باشد. اما، به جای آن ما دریافتیم که می‌توانیم از فیبرهای نوری به عنوان راه کاربردی برای قفل کردن داده‌ها استفاده کنیم و الگوی پن و گروهش نیز دقیقا بر همین اساس میباشد. به هر حال، بشر هنوز در آغاز راه کشف این معامله‌ی بزرگ می‌باشد و برای رشد آن نیاز به تحقیقات بیشتری وجود دارد.» جزئیات بیشتر این پژوهش در نشریه‌ی Physical Review A منتشر شده است. مترجم: ندا حائری/ سایت علمی بیگ بنگ منبع: phys.org

بیگ بنگ: ماشین کوانتومی انیگما توسط محققان دانشگاه‌های روچستر، MIT و موسسه ی ملی استاندارد و تکنولوژی طراحی و تولید شده است. محققان دانشگاه روچستر، پا را از مرز تئوری فراتر گذاشته‌اند و برای نخستین بار ثابت کردند که می‌توانند یک پیغام رمزگذاری شده‌ی غیر قابل شکستن را با کلیدی که بسیار کوچک‌تر از آن پیغام است، ارسال نمایند. به گزارش بیگ بنگ، تا به امروز، پیغام‌های رمزگذاری شده با امنیت بالا، با استفاده از سیستمی که توسط ریاضیدان آمریکایی کلود شانون (که از او با عنوان پدر تئوری اطلاعات یاد می‌کنند) طراحی شده بود ترجمه و شکسته می‌شد. شانون دانش خود در زمینه‌های جبر و مدارهای الکتریکی را ترکیب کرد و توانست سیستم دوتایی خاصی را برای ترجمه‌ی پیام‌های امنیتی رمزگذاری شده طراحی کند. این سیستم با سه شرط قابل اجرا بود: کدها تصادفی انتخاب شوند، هر کد فقط یک مرتبه استفاده شده باشد و طول کدها حداقل به اندازه‌ی طول خود پیغام باشند. این یافته‌ توسط دانیل لوم، دانشجوی فارغ‌التحصیل فیزیک، و پروفسور فیزیک جان هاول، انجام شده است. هاول در این خصوص گفت: پژوهش دانیل به اندازه‌ی یک قدم بسیار مهم و رو به جلو نه تنها برای رمزگذاری بلکه برای قفل داده‌ها به صورت کوانتومی حائز اهمیت میباشد. قفل کردن داده‌ها به صورت کوانتومی، روشی برای رمزگذاری است که توسط پروفسور اطلاعات کوانتومی “ست لوید” در موسسه‌ی تکنولوژی ماساچوست طراحی شده است. در این تکنولوژی از فوتون‌ها، کوچکترین بسته‌های نوری، برای حمل پیام‌ها استفاده می‌شود. در ابتدا تصور می‌شد که قفل کردن داده‌ها به صورت کوانتومی با محدودیت‌هایی برای رمزگذاری پیام‌ها با امنیت بالا همراه است؛ اما لوید این موضوع را اینگونه توضیح داد که با افزودن متغیرها و احتمالات بیشتر که شامل ایجاد پیوند میان نور و ماده می‌شد، می‌توان به یک روش بسیار ایمن برای انتقال داده‌ها دست یافت. در حالی که سیستم باینری (دوتایی) که پیش از این وجود داشت تنها یکی از دو حالت روشن و خاموش را برای هر بیت از اطلاعات مجاز می‌دانست، امواج فوتون می‌توانند راه‌های بسیار بیشتری را جایگزین کنند: زاویه‌ی شتاب می‌تواند تغییر کند، امواج می‌توانند بلندتر و یا کوتاه‌تر از خود پیام باشند، و اندازه‌ی دامنه‌ی امواج را می‌توان براساس نوع کدگذاری اصلاح کرد. از آنجایی که یک فوتون بسیار متغیر است و عدم قطعیت‌های بسیار زیادی در اندازه‌گیری در مقیاس کوانتومی وجود دارد، کلیدهای کوانتومی برای رمزگذاری و یا شکستن یک پیغام می‌توانند از خود آن ‌پیغام کوتاه‌تر باشند. سیستم لیود تا سال ۲۰۱۶ (یعنی امسال!) به صورت یک تئوری باقیمانده بود. تا زمانیکه لیوم و تیم تحقیقاتی‌اش دستگاهی را طراحی کردند، یک ماشین کوانتومی انیگما، و با استفاده از آن تئوری را به یک سیستم عملی و کاربردی تبدیل کردند. نام این دستگاه از ماشین رمزگذاری‌ای که ارتش آلمان در جنگ جهانی دوم استفاده می‌کرده، گرفته شده است. دستگاه انیگمای اولیه از یک سیستم کدگذاری استفاده می‌کرده که سازمان‌های اطلاعاتی لهستان و انگلستان قادر به شکستن آن بودند. بیائید فرض کنیم که آلیس می‌خواهد به باب یک پیغام رمزگذاری شده بدهد. آلیس از دستگاه برای تولید فوتون‌هایی استفاده می‌کند که در فضای آزاد سفر می‌کنند و به یک مدولاتور فضایی نوری(SLM) می‌رسند. این مدولاتور خواص فوتون‌های مجزا (مانند شتاب، دامنه و..) به گونه‌ای تغییر می‌دهد که پیام مورد نظر به صورت امواج تخت ولی زاویه‌دار کدگذاری شده و توانایی متمرکز شدن بر روی یک نقطه‌ی منحصر به فرد، که براساس شیب امواج تعیین می‌شود، را داشته باشند. این مدولاتور فضایی نوری کار دیگری نیز می‌کند: آن زوایای فوتون‌ها را براساس یک الگوی تصادفی به گونه‌ای منحرف می‌کند که امواج دیگر تخت نباشند و توانایی متمرکز شدن بر روی یک نقطه‌ی خاص را نداشته باشند. آلیس و باب هر دو کلیدهای شناسایی عملیات منحرف شدن زوایای فوتون‌ها را می‌شناسند بنابراین، باب می‌تواند با استفاده از دولاتور فضایی نوری خود امواج را مجددا مسطح کرده و فوتون‌ها را در نقطه‌ی مورد نظر متمرکز کند و به این صورت، خواص جایگزین شده را ترجمه کرده و به المنت‌های پیام اصلی تبدیل نماید. به منظور بهبود و اصلاح زوایای فوتون‌ها، لیوم و تیم همراهش از اصل عدم قطعیت استفاده کردند. این اصل بیان می‌کند که هرچه ما در خصوص یک ویژگی از یک ذره بیشتر بدانیم در خصوص دیگر ویژگی‌های آن کمتر خواهیم دانست (به عبارت بهتر اندازه‌گیری همزمان و با دقت ۱۰۰ درصد در یک لحظه از تکانه(سرعت) و مکان یک ذره آگاهی پیدا کرد) بر همین اساس، پژوهشگران توانستند شش بیت از اطلاعات قدیمی را با استفاده از تنها یک بیت از کلید، رمزگذاری کنند. به این عملیات قفل کردن داده‌ها می‌گویند. لیوم در خصوص این دستگاه می‌گوید: « درست است که دستگاه‌ها به دلیل از دست دادن فوتون‌ها، صد در صد ایمن نمی‌باشند اما این دستگاه نشان می‌دهد که رمزگذاری پیام‌ها با استفاده از قفل کوانتومی، چیزی فراتر از یک فرضیه می‌باشد.» هدف نهایی ماشین انیگمای کوانتومی، جلوگیری از حضور یک شخص سوم، مثلا فردی به نام ایو، در متوقف کردن و یا رمزگشایی فرآیند انتقال داده‌ها می‌باشد. یک اصل حیاتی در تئوری کوانتوم وجود دارد که می‌گوید: حرکت مردابی برای اندازه‌گیری در یک سیتم کوانتومی کل سیستم را تغییر خواهد داد. در نتیجه، ایو تنها یک شانس برای ترجمه و رمزگشایی پیام خواهد داشت که موفق شدن در آن تقریبا غیر ممکن به نظر می‌رسد و در نتیجه تعداد نامحدودی(نزدیک به بی نهایت) الگوی حرکتی برای هر فوتون وجود خواهد داشت. مقاله لیوم و هاول یکی از دو مقاله‌ای بود که به صورت همزمان و با یک موضوع کاملا مشترک، منتشر شد. قفل کردن داده‌ها به صورت کوانتومی، عنوان مقاله‌ای بود که توسط فیزیکدان چینی به نام جیان-وی‌پن منتشر شد. لیوم در خصوص انجام این فرآیند گفته است:« شانس اندکی وجود دارد که عملیات فضای آزاد ما بتواند در شرایط جوی کاربردی و مفید باشد. اما، به جای آن ما دریافتیم که می‌توانیم از فیبرهای نوری به عنوان راه کاربردی برای قفل کردن داده‌ها استفاده کنیم و الگوی پن و گروهش نیز دقیقا بر همین اساس میباشد. به هر حال، بشر هنوز در آغاز راه کشف این معامله‌ی بزرگ می‌باشد و برای رشد آن نیاز به تحقیقات بیشتری وجود دارد.» جزئیات بیشتر این پژوهش در نشریه‌ی Physical Review A منتشر شده است. مترجم: ندا حائری/ سایت علمی بیگ بنگ منبع: phys.org