دانشمندان الگوهای تکرار شونده را در رفتار کوانتومی آشفته کشف کردند

ویرایش شده توسط Sadie Harley، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

بسیاری از سیستم های کوانتومی پیچیده به سرعت الگوهای قابل تشخیص حالت های اولیه خود را از دست می دهند، زیرا اجزای آنها برهم کنش دارند. برای توصیف الگوهای حرکت منظم و آشفته در سیستم های خاص، فیزیکدانان می توانند یک نقشه ریاضی به نام فضای فاز موثر بسازند.

در برخی از سیستم های کلاسیک که از قوانین آشنای حرکت پیروی می کنند، مسیرهای منظم و آشفته مناطق مختلفی از فضای فاز را اشغال می کنند. با این حال، تعیین اینکه آیا یک الگوی قابل مقایسه در سیستم‌های چند جسمی کوانتومی (یعنی سیستم‌هایی با اجزای کوانتومی متقابل زیاد) وجود دارد یا خیر، تا کنون چالش برانگیز بوده است، تا حدی به این دلیل که برهم‌کنش‌ها در این سیستم‌ها می‌توانند پدیده‌ای کوانتومی به نام درهم تنیدگی ایجاد کنند.

هنگامی که بخش‌هایی از یک سیستم در هم پیچیده می‌شوند، حالت کوانتومی ترکیبی آن‌ها را نمی‌توان با رفتار مستقل هر یک به طور کامل توصیف کرد.

محققان دانشگاه ژجیانگ و دانشگاه لیدز رویکرد جدیدی را برای جستجوی الگوهای مکرر فعالیت در سیستم‌های چند جسمی کوانتومی پیچیده و آشفته ابداع کرده‌اند. این رویکرد، که در مقاله منتشر شده در Nature Physics مشخص شده است، با موفقیت برای شناسایی یک الگوی تکرارشونده پایدار در یک پردازنده کوانتومی با چند کیوبیت در حال تعامل استفاده شد.

زلاتکو پاپیچ، نویسنده ارشد این مقاله، به Phys.org گفت: «این کار حاصل همکاری طولانی مدت ما با دانشگاه ژجیانگ در استفاده از پردازنده‌های کوانتومی برای درک اینکه چه اتفاقی می‌افتد زمانی که بسیاری از ذرات کوانتومی با هم تعامل می‌کنند و تکامل می‌یابند، شکل گرفت.

"به طور معمول، چنین سیستم هایی به سرعت حافظه خود را از نحوه شروع خود از دست می دهند. درک اینکه چه زمانی و چگونه در برابر این سرنوشت مقاومت می کنند، یکی از سوالات دشواری است که ما در حال بررسی آن بوده ایم."

این مطالعه اخیر مبتنی بر تحقیقات قبلی پاپیچ و همکارانش در دانشگاه ژجیانگ و دانشگاه لیدز است. در کار قبلی خود، این تیم نشان داد که برخی از حالت‌های شروع در یک پردازنده ابررسانا 30 کیوبیتی می‌توانند به طور مکرر به یک الگوی قابل تشخیص برگردند، به جای اینکه در رفتار بی‌نظم که معمولا با سیستم‌های کوانتومی برهمکنش پیچیده مرتبط است – رفتاری که به عنوان «اسکارهای کوانتومی» شناخته می‌شود، بازگردند.

پاپیک گفت: «در اولین مقاله مشترکمان در مورد اسکارهای کوانتومی، که در Nature Physics منتشر شد، ما این پدیده غیرعادی را روی یک پردازنده کوانتومی ابررسانا نشان دادیم: یک سیستم آماده شده به طور مکرر نزدیک به پیکربندی اولیه خود بازگشته است.

این کار ما را به این سوال سوق داد که آیا این حرکات غیرمعمول می‌توانند بخشی از چشم‌انداز بسیار غنی‌تر باشند و آیا یک پردازنده کوانتومی می‌تواند نقش فعالی در کشف آن داشته باشد.

محققان با الهام از مشاهدات قبلی خود، روشی را برای جستجوی الگوهای پنهان حرکت منظم در رفتار کوانتومی هرج و مرج، یا به عبارت دیگر، شناسایی «جزایر» حرکت منظم در «دریایی» رفتار آشفته کوانتومی، توسعه دادند.

محققان رویکرد خود را بر روی یک سیستم نردبانی 24 کیوبیتی انتخاب شده از یک پردازنده کوانتومی ابررسانا حاوی بیش از 100 کیوبیت آزمایش کردند. پردازنده با یک کامپیوتر معمولی در یک حلقه مکرر کار می کرد.

پاپیک توضیح داد: «ما سیستم کوانتومی را آماده کردیم، اجازه دادیم به طور خلاصه تکامل یابد و اندازه‌گیری‌ها را جمع‌آوری کردیم. سپس کامپیوتر معمولی از آن اندازه‌گیری‌ها استفاده می‌کند تا یک حالت کوانتومی نسبتا ساده را پیدا کند که دقیقا با نتیجه مطابقت دارد. ما این حالت به‌روز شده را روی پردازنده آماده می‌کنیم و تکرار می‌کنیم. در دورهای متوالی، این فرآیند می‌تواند در حرکتی که به طور منظم تکرار می‌شود، بدون نیاز به مشخص کردن آن حرکت از قبل شروع شود.»

رویکرد محققان از الگوریتمی به نام ScarFinder الهام گرفته شده است که در مقاله قبلی منتشر شده در PRX Quantum معرفی شده است. این الگوریتم الگوهای حرکتی غیرعادی و تکرارشونده مرتبط با اسکارهای چند جسمی کوانتومی را در سیستم‌های کوانتومی در حال تعامل جستجو می‌کند.

پاپیک توضیح داد: «پسادکترهای ما جی رن و اندرو هالام نقش اصلی را ایفا کردند: تخصص آنها در شبکه های تانسور، ابزارهای ریاضی برای توصیف حالت های کوانتومی پیچیده به طور فشرده، برای توسعه این رویکرد بسیار مهم بود.

همکاران ژجیانگ ما، به ویژه هانگ دونگ، سپس این پروتکل را با استفاده از 24 بیت کوانتومی ابررسانا یا کیوبیت اجرا کردند.

مزیت کلیدی رویکرد این تیم این است که هر دوری که انجام می‌دهد تنها به یک دوره کوتاه تکامل کوانتومی و اندازه‌گیری‌های ساده کیوبیت‌های منفرد نیاز دارد. علاوه بر این، می‌توان آن را برای پردازنده‌های فعلی، که برای حفظ رفتار کوانتومی ظریف برای دوره‌های طولانی تلاش می‌کنند، اعمال کرد.

این مطالعه روشی را برای بررسی چگونگی همزیستی نظم و آشوب در سیستم‌های کوانتومی پیچیده چند جسمی معرفی و به صورت تجربی نشان می‌دهد. با استفاده از این روش، تیم توانست فعالیت های مکرر را در یک سیستم 24 کیوبیتی کشف و تثبیت کند.

پاپیک گفت: «بارزترین یافته این است که «جزایر» کاملی با حرکت منظم در دریایی از رفتارهای آشفته وجود دارد. این ساختار حرکت منظم همراه با هرج و مرج در سیستم‌های کلاسیک بسیار رایج است، به عنوان مثال، منظومه شمسی به این صورت عمل می‌کند (سیارات ظاهرا به صورت دوره‌ای حرکت می‌کنند، در حالی که حرکت کلی منظومه آشفته است و پیش‌بینی آن در زمان‌های بسیار دیررس غیرممکن است).

محققان دریافتند که مسیرهای منظمی که مشاهده کردند با تنظیم برهمکنش‌های بین کیوبیت‌ها تغییر شکل دادند. رویکرد حلقه بازخورد آنها الگوهای تکرارشونده‌ای را که قبلا در پویایی‌های اساسی سیستم وجود داشتند، آشکار و تثبیت کرد.

پاپیک گفت: «رویکرد ما راهی عملی برای کاوش تجربی این منظره به ما می دهد. مفهوم گسترده‌تر این مطالعه این است که پردازنده‌های کوانتومی می‌توانند به عنوان ابزاری برای اکتشاف علمی عمل کنند. یادگیری نحوه یافتن و کنترل این حرکات منظم در نهایت می‌تواند به ما کمک کند تا رفتار مفید کوانتومی را برای مدت طولانی‌تری حفظ کنیم.

پاپیچ و همکارانش اکنون در حال برنامه ریزی تحقیقات بیشتری با هدف درک میزان گستردگی رفتاری هستند که مشاهده کردند. به طور خاص، آنها مایلند تعیین کنند که کدام نوع سیستم های کوانتومی از جزایر منظم مشاهده شده پشتیبانی می کنند، چه چیزی پایداری آنها را تعیین می کند و چگونه جزایر با تغییر تعداد و آرایش کیوبیت ها تغییر می کنند.

پاپیک افزود: «ما همچنین می خواهیم رابطه این پدیده با اسکارهای کوانتومی را روشن کنیم. "آیا برخی از اسکارهای مشاهده شده قبلی موارد خاصی در یک چشم انداز وسیع تر از حرکت منظم هستند و چه زمانی این دو پدیده متمایز هستند؟ ترکیب ابزارهای نظری مانند ScarFinder با آزمایشات روی پردازنده های کوانتومی راه امیدوارکننده ای را برای بررسی این سوالات به ما می دهد."

توسط نویسنده ما Ingrid Fadelli، ویرایش شده توسط Sadie Harley، و بررسی واقعیت و بازبینی توسط رابرت ایگان برای شما نوشته شده است - این مقاله نتیجه کار دقیق انسانی است. ما برای زنده نگه داشتن روزنامه نگاری علمی مستقل به خوانندگانی مانند شما متکی هستیم. اگر این گزارش برای شما مهم است، لطفا یک کمک مالی (به ویژه ماهانه) در نظر بگیرید. به عنوان تشکر، یک حساب کاربری بدون آگهی دریافت خواهید کرد.

هانگ دانگ و همکاران، فضای فاز مخلوط چند جسمی کوانتومی که توسط کنترل بازخورد ترکیبی، فیزیک طبیعت (2026) آشکار شد. DOI: 10.1038/s41567-026-03431-z.

اطلاعات مجله: Nature Physics , PRX Quantum

روزنامه نگار آزاد با لیسانس روانشناسی و کارشناسی ارشد روزنامه نگاری بین المللی. از سال 2018 هوش مصنوعی، رباتیک، علوم اعصاب و اخترفیزیک را پوشش می دهد. نمایه کامل →

کارشناسی علوم زیستی و اکولوژی. پیشینه آزمایشگاه میکروبیولوژی با تجربه اخبار دارویی در صنایع نفت، گاز و تجدیدپذیر. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →