کامپیوتر کوانتومی "وجود" ماده را شبیه سازی می کند

محققان به رهبری مرکز کوانتومی دوک (DQC) از یک شبیه‌ساز کوانتومی برای مشاهده دینامیک شکست رشته‌ای مرتبط با تشکیل پادذره استفاده کرده‌اند که یکی از اولین نمایش‌ها در نوع خود در فیزیک کوانتومی است.

این کار که در 23 سپتامبر در Nature Physics منتشر شد، نشان می‌دهد که چگونه رایانه‌های کوانتومی یونی به دام افتاده می‌توانند به ابزاری قدرتمند برای کاوش در برخی از عمیق‌ترین سؤالات در فیزیک بنیادی تبدیل شوند. این آزمایش فرآیندی به نام شکستن ریسمان را شبیه‌سازی کرد که در آن دو بلوک سازنده ماده به هم پیوسته از هم جدا می‌شوند تا زمانی که انرژی زیادی انباشته شود که ذرات جدید به‌طور مؤثری با قطع 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 پرسش‌های 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 مطالعه توسط یک همکاری بین المللی انجام شد که شامل محققانی از دانشگاه مریلند (UMD)، دانشگاه آکسفورد، موسسه فناوری کالیفرنیا، دانشگاه کرنل و KU Leuven بود. این یافته‌ها در کنار دو مطالعه اخیر منتشر شده دیگر از تیم‌های جداگانه که فیزیک مشابهی را با استفاده از انواع مختلف سخت‌افزار محاسباتی کوانتومی بازتولید کردند، ظاهر می‌شوند.

کوارک ها از اساسی ترین اجزای سازنده ماده هستند. آنها در داخل ذراتی مانند پروتون و نوترون یافت می شوند و تقریبا یک میلیارد بار کوچکتر از یک اتم هستند. دانشمندان در حال حاضر نمی‌توانند کوارک‌های جدا شده را مستقیما مشاهده کنند، زیرا کوارک‌ها معمولا به شدت به هم متصل می‌شوند.

یک راه برای تصویر کردن این موضوع این است که دو ذره باردار ریز را تصور کنید که توسط یک رشته محکم کشیده شده به هم متصل شده اند. هرچه از هم دورتر کشیده شوند، انرژی بیشتری در اتصال بین آنها ذخیره می شود.

در نهایت، انرژی کافی برای ایجاد ذرات باردار اضافی انباشته می شود. این امکان پذیر است زیرا جرم و انرژی از طریق معادله معروف انیشتین E=mc 2 به هم مرتبط هستند. به جای پایان دادن به یک جفت جدا شده، اتصال اصلی قطع می شود و جفت های ذرات جدید تشکیل می شوند.

چنین فرآیندهایی به مقادیر بسیار زیادی انرژی نیاز دارند و معمولا فقط در شرایط شدید رخ می‌دهند، مانند مواردی که در برخورد دهنده بزرگ هادرون ایجاد شده‌اند یا آن‌هایی که تصور می‌شود اندکی پس از انفجار بزرگ وجود داشته‌اند.

بازسازی رشته شکستن در یک ماشین کوانتومی

در آزمایش جدید، تیم تحت رهبری دوک رفتار شکست رشته مشابه را با استفاده از یک پلت فرم کوانتومی یون به دام افتاده بازتولید کردند. شبیه‌سازهای کوانتومی به‌ویژه برای این نوع کار مفید هستند، زیرا محققان می‌توانند دقیقا آنها را کنترل کرده و برای تقلید فرآیندهای فیزیکی که در مقیاس‌های اتمی و زیراتمی رخ می‌دهند، برنامه‌ریزی کنند.

آرینجوی دی، نویسنده اول مقاله، دانشجوی سابق دکترا در آزمایشگاه مونرو و اکنون سرپرست ماشین تولید در QuEra Computing، گفت: «کار در تقاطع شبیه‌سازی کوانتومی و فیزیک با انرژی بالا فوق‌العاده هیجان‌انگیز است. 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 ساخت شبیه‌سازی، محققان مدل شکستن رشته را در زنجیره‌ای از 13 یون به دام افتاده کدگذاری کردند. سپس از پرتوهای لیزری با دقت کنترل شده برای تنظیم نحوه تعامل یون ها با یکدیگر استفاده شد.

این فعل و انفعالات به تیم اجازه داد تا انرژی سیستم را به گونه ای کنترل کند که کشش و در نهایت شکستن یک ذره مانند رشته را بازتولید کند.

محققان سیستم را در حالت خارج از تعادل آماده کردند و سپس چگونگی تغییر آن را در طول زمان دنبال کردند. این به آنها اجازه داد تا ظاهر بارهای موثر را تشخیص دهند و دینامیک مرتبط با فرآیند شکستن رشته شبیه سازی شده را بازسازی کنند.

برای بررسی نتایج، تیم نیز همین فرآیند را با استفاده از یک کامپیوتر کلاسیک مدلسازی کرد. محاسبات کلاسیک با نتایج تجربی تولید شده توسط شبیه ساز کوانتومی مطابقت داشت.

برای شبیه سازی در این مقیاس نسبتا کوچک، کامپیوترهای کلاسیک هنوز می توانند محاسبات را انجام دهند. محققان انتظار دارند که با بزرگ‌تر شدن و پیچیده‌تر شدن آزمایش‌های آینده، رایانه‌های کوانتومی در نهایت قادر خواهند بود نسخه‌هایی از این مشکلات را که ماشین‌های کلاسیک نمی‌توانند از عهده آن برآیند، حل کنند.

سایر گروه های تحقیقاتی اخیرا با استفاده از اشکال مختلف سخت افزار کوانتومی به نقاط عطف مشابهی دست یافته اند. تیم هایی به رهبری گوگل و QuEra Computing مدل های قطع رشته مرتبط را به ترتیب با استفاده از مدارهای ابررسانا و اتم های خنثی بازسازی کردند. هر رویکرد با نقاط قوت و محدودیت های خود همراه است.

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

نتایج یون های به دام افتاده نشان دهنده گام دیگری به سوی شبیه سازی های کوانتومی است که حتی برای قوی ترین ابررایانه های معمولی جهان نیز بسیار پیچیده هستند.

اگر سیستم‌های کوانتومی به بزرگ‌تر شدن خود ادامه دهند، محققان در نهایت می‌توانند از آنها برای بررسی سؤالاتی استفاده کنند که بازتولید مستقیم آنها در آزمایشگاه دشوار یا غیرممکن است، از جمله چگونگی رفتار و تکامل ماده در مدت کوتاهی 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."

این تحقیق توسط وزارت انرژی (DE-SC0020312، DE-SC0025341، DESC0019040، DE-SC0024220، DE-SC0020271)، بنیاد ملی علوم (OMA-2120757)، دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی، آژانس تحقیقات پیشرفته دفاعی و وب آمازون پشتیبانی شد.

مواد ارائه شده توسط دانشگاه دوک. توجه: محتوا ممکن است برای سبک و طول ویرایش شود.

دانشمندان برای اولین بار یک کوانتومی از صدا را تماشا کردند

موتور ماهواره ای جدید می تواند از جو زمین به عنوان سوخت برای ماندن در مدار به طور نامحدود استفاده کند

دانشمندان به دنبال سیاهچاله های کوچک پنهان شده در برخورد LHC هستند

محققان کشف کردند که چه چیزی ممکن است به یکی از شایع ترین اختلالات ستون فقرات در جهان کمک کند