دستگاه کوانتومی ظهور ماده را شبیه سازی می کند

ویرایش شده توسط Sadie Harley، بررسی توسط Robert Egan

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

یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی اعضای هیئت علمی در مرکز کوانتومی دوک (DQC) دینامیک ریسمان‌شکن مربوط به تشکیل ذرات-ضد ذره را در شبیه‌ساز کوانتومی، از جمله اولین مشاهدات در فیزیک کوانتومی، مشاهده کرده‌اند.

این رویکرد که در مجله Nature Physics توضیح داده شده است، نشان می‌دهد که رایانه‌های کوانتومی یونی به دام افتاده می‌توانند برای بررسی سؤالات اساسی در مورد جهان استفاده شوند. این آزمایش شکستن ریسمان را تقلید می‌کند، پدیده‌ای که در آن دو بلوک سازنده ماده به هم پیوسته از هم جدا می‌شوند و انرژی کافی ایجاد می‌کنند تا ذرات جدید در هنگام قطع شدن اتصال به وجود بیایند.

کریستوفر مونرو، پروفسور ممتاز ریاست جمهوری خانواده گیلهولی در مهندسی برق و کامپیوتر و فیزیک در دوک که رهبری این تحقیق را بر عهده داشت، می‌گوید: «شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای کوانتومی بهترین بستر را برای بررسی سؤالات پیچیده‌ای مانند تشکیل ماده فراهم می‌کنند، بدون اینکه شاهد انفجار بزرگ باشیم».

این یافته‌ها نشان‌دهنده یک پیشرفت قابل‌توجه در زمینه علوم کوانتومی است و راه‌های جدیدی را برای درک دینامیک رشته‌شکن باز می‌کند.»

این تحقیق توسط یک همکاری بین المللی از جمله دانشگاه مریلند (UMD)، دانشگاه آکسفورد، موسسه فناوری کالیفرنیا، دانشگاه کورنل و KU Leuven انجام شد. نتایج به دو یافته مشابه منتشر شده که توسط تیم‌های تحقیقاتی دیگر هدایت می‌شوند، می‌پیوندند که همان پدیده را بر روی پلتفرم‌های مختلف رایانه‌های کوانتومی شبیه‌سازی کردند.

کوارک ها، بلوک های سازنده اساسی ماده، تنها زمانی وجود دارند که در داخل ذرات مانند پروتون و نوترون به هم متصل شوند. آنها حدود یک میلیارد بار کوچکتر از یک اتم هستند و در حال حاضر نمی توان آنها را مستقیما مشاهده کرد. می توانید جفت کوارک ها را مانند دو ذره ریز باردار تصور کنید که توسط یک رشته محکم به هم متصل شده اند. آنها می خواهند به هم بچسبند، بنابراین برای جدا کردن آنها انرژی زیادی لازم است.

اما هنگامی که آنها به اجبار از هم جدا شوند، انرژی ایجاد شده در اتصال آنها می تواند برای ایجاد ذرات باردار بیشتر کافی باشد، زیرا جرم و انرژی مستقیما از طریق معادله معروف انیشتین E=mc 2 مرتبط هستند. وقتی این اتفاق می‌افتد، رشته می‌شکند و دو یا چند جفت ذره به جای یک جفت باقی می‌گذارد. با این حال، این فرآیند به انرژی زیادی نیاز دارد که فقط در محیط های شدید مانند برخورد دهنده بزرگ هادرون یا پیامدهای انفجار بزرگ اتفاق می افتد.

در مطالعه جدید، تیم به رهبری DQC دینامیک مشابهی را بر روی یک پلت فرم کوانتومی یون به دام افتاده مشاهده کردند. شبیه‌سازهای کوانتومی، با درجه بالای کنترل‌پذیری خود، می‌توانند برای بازسازی فرآیندهای دنیای واقعی که در مقیاس‌های اتمی یا حتی زیراتمی رخ می‌دهند، برنامه‌ریزی شوند.

آرینجوی دی، نویسنده اول مقاله، دکترای سابق، گفت: «کار در تقاطع شبیه‌سازی کوانتومی و فیزیک با انرژی بالا فوق‌العاده هیجان‌انگیز است. دانشجوی آزمایشگاه مونرو و در حال حاضر رهبری ماشین تولید در QuEra Computing.

با شبیه‌سازی پدیده‌های محصور شدن کوارک و شکستن ریسمان در یک محیط آزمایشگاهی کنترل‌شده، ما مسیرهای جدیدی را برای تحقیقات تجربی در مورد رفتار ماده در اساسی‌ترین سطح آن باز می‌کنیم.»

برای انجام شبیه‌سازی، تیم یک مدل شکستن رشته را در زنجیره‌ای از 13 یون به دام افتاده رمزگذاری کرد. محققان با استفاده از پرتوهای لیزر دقیق کنترل شده، فعل و انفعالات بین یون ها را تنظیم کردند. این فعل و انفعالات به طور موثری انرژی سیستم را به گونه ای کنترل می کنند که کشش و در نهایت شکستن یک رشته را تقلید می کند.

محققان با آماده کردن سیستم در حالت خارج از تعادل و ردیابی تکامل آن در طول زمان، ظهور بارهای موثر را مشاهده کردند و دینامیک رشته حاصل را بازسازی کردند.

این تیم همچنین این فرآیند را بر روی یک کامپیوتر کلاسیک شبیه سازی کردند و تایید کردند که نتایج بدست آمده از کامپیوتر کوانتومی دقیق است. با افزایش اندازه مسئله در آزمایش‌های آینده، تنها رایانه‌های کوانتومی، نه رایانه‌های کلاسیک، قادر به حل این مشکلات خواهند بود.

فرآیند شکستن رشته در مدل‌های دیگر نیز توسط تیم‌هایی به رهبری Google و QuEra Computing بر روی پلتفرم‌هایی که به ترتیب با مدارهای ابررسانا و اتم‌های خنثی ساخته شده بودند، بازسازی شد. هر پلتفرم مزایا و چالش های خاص خود را دارد.

مونرو افزود: «اینها سه پلتفرم پیشرو در محاسبات کوانتومی هستند، بنابراین معیار و مقایسه خوبی برای جامعه کوانتومی است».

نتایج پلتفرم یون به دام افتاده نشان دهنده گامی به سوی ساخت شبیه سازی های کوانتومی پیچیده به اندازه ای است که از توانایی های حتی بزرگترین ابررایانه ها نیز فراتر رود. چنین شبیه‌سازی‌هایی در نهایت می‌تواند به محققان اجازه دهد تا سؤالات اساسی در مورد جهان را بررسی کنند، مانند چگونگی تکامل ماده پس از انفجار بزرگ.

زهره داوودی، دانشیار فیزیک دانشگاه UMD که بخشی از این تیم تحقیقاتی بود، گفت: به عنوان یک فیزیکدان، بررسی شرایط جهان اولیه در یک ماشین محاسباتی سطح اتمی فوق العاده هیجان انگیز است.

"حتی کوچکترین بینش از یک مدل فیزیک خارج از تعادل ما را در آینده راهنمایی خواهد کرد."

آرینجوی دی و همکاران، دینامیک ریسمان شکن در یک شبیه ساز کوانتومی، فیزیک طبیعت (2026). DOI: 10.1038/s41567-026-03422-0

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 →