لازم نیست یک ذره از میدان مغناطیسی عبور کند تا تحت تأثیر آن قرار گیرد. این ویژگی شگفت‌انگیز فیزیک کوانتومی اکنون توسط محققان دانشگاه آکسفورد بازسازی شده است که از یک کامپیوتر کوانتومی ترکیبی برای نشان دادن اینکه چگونه یک تأثیر مغناطیسی نامرئی می‌تواند باعث شود یک ذره شبیه‌سازی شده به طور کامل از حرکت باز بماند، استفاده کردند.
این آزمایش پدیده‌ای به نام اثر آهارونوف-بوم را تکرار می‌کند که در آن یک ذره باردار که در اطراف منطقه‌ای حاوی شار مغناطیسی حرکت می‌کند، تغییر قابل اندازه‌گیری در حالت کوانتومی خود را تجربه می‌کند، حتی اگر مسیر آن هرگز از طریق خود میدان مغناطیسی عبور نمی‌کند.
تیم آکسفورد با استفاده از یک سیستم کوانتومی که کیوبیت‌ها، واحدهای اساسی اطلاعات کوانتومی، را با نوسانگرهای کوانتومی که حرکت ارتعاشی را نشان می‌دهند، به این هدف دست یافتند. یافته های آنها، منتشر شده در فیزیک طبیعی، نشان می دهد که چگونه این ترکیب می تواند به دانشمندان کمک کند تا تعاملات اساسی بین ماده و میدان هایی را که شبیه سازی آنها با استفاده از رایانه های معمولی دشوارتر می شود، بررسی کنند.
یک اثر کوانتومی عجیب که در سال 1959 پیش بینی شد
در فیزیک روزمره، یک ذره باردار به میدان های الکتریکی و مغناطیسی که با آن برخورد می کند واکنش نشان می دهد. با این حال، مکانیک کوانتومی نشان می‌دهد که ذرات می‌توانند به گونه‌ای رفتار کنند که هیچ همتای مستقیمی در تجربه عادی ما ندارند.
در سال 1959، فیزیکدانان یاکیر آهارونوف و دیوید بوهم پیش بینی کردند که یک ذره باردار می تواند تحت تأثیر یک شار مغناطیسی قرار گیرد، حتی اگر به طور کامل به خارج از منطقه حاوی میدان مغناطیسی سفر کند. به جای اینکه ذره یک نیروی مغناطیسی معمولی را در طول مسیر خود تجربه کند، در فاز کوانتومی خود تغییر خواهد کرد.
فاز کوانتومی جنبه ای از رفتار موج یک ذره را توصیف می کند که بر نحوه تداخل مسیرهای مختلف ممکن با یکدیگر تأثیر می گذارد. اگرچه خود فاز به طور مستقیم قابل مشاهده نیست، تفاوت در فاز می تواند به اثرات قابل اندازه گیری منجر شود.
این پیش‌بینی به عنوان اثر آهارونوف-بوم شناخته شد و در نهایت در آزمایش‌های مربوط به الکترون‌های واقعی تأیید شد. این یکی از واضح‌ترین نشانه‌هایی است که جهان کوانتومی بر اساس قوانینی عمل می‌کند که فراتر از قوانین شناخته شده فیزیک کلاسیک است.
اکنون محققان در حال بررسی نحوه رفتار این پدیده در سیستم های نظری پیچیده تر به نام نظریه های گیج شبکه هستند.
این نظریه ها چگونگی تعامل ماده با میدان های مرتبط با نیروهای بنیادی را توصیف می کنند. آنها فضا را به عنوان یک شبکه نشان می دهند که ماده در نقاط و میدان های جداگانه قرار دارد که توسط اتصالات بین آنها به هم متصل شده اند. چنین مدل هایی به ویژه در فیزیک ذرات و فیزیک پرانرژی، که در آن دانشمندان ذرات بنیادی و فعل و انفعالات تشکیل دهنده جهان را مطالعه می کنند، اهمیت دارند.
چالش این است که با پیچیده تر شدن این سیستم ها، ریاضیات بسیار دشوار می شود. حتی رایانه‌های معمولی قدرتمند نیز می‌توانند محاسبه کنند که چگونه همه اجزای تعاملی تکامل می‌یابند.
کامپیوترهای کوانتومی رویکرد متفاوتی ارائه می دهند. به جای تلاش برای محاسبه هر جنبه از یک سیستم کوانتومی با استفاده از روش‌های محاسباتی کلاسیک، دانشمندان می‌توانند سیستم کوانتومی دیگری بسازند که از همان قوانین اساسی پیروی می‌کند. سپس می توانند رفتار آن را مستقیماً مشاهده کنند، رویکردی که به عنوان شبیه سازی کوانتومی شناخته می شود.
چگونه دانشمندان آزمایش کوانتومی را ساختند
پروژه آکسفورد در سال 2022 زمانی که نویسنده اصلی دکتر سباستین سانر، دکتر اوانا بازوان و همکارانشان شروع به توسعه روشی برای شبیه‌سازی نظریه‌های گیج شبکه با استفاده از یک سیستم کوانتومی ترکیبی کردند، آغاز شد. آنها با دکتر آلخاندرو برمودز از Instituto de Física Teórica در مادرید همکاری کردند.
طراحی آزمایشی آنها بر دو جزء کوانتومی مختلف تکیه دارد که عملکردهای جداگانه ای را انجام می دهند.
اولین کیوبیت شامل کیوبیت‌هایی بود که در حالت‌های داخلی یون‌های به دام افتاده، که اتم‌های باردار الکتریکی هستند که با استفاده از میدان‌های الکترومغناطیسی در جای خود نگه داشته می‌شوند، کدگذاری شده‌اند. این کیوبیت ها نشان دهنده میدان های گیج در مدل نظری هستند.
جزء دوم از نوسانگرهای کوانتومی استفاده می کند که توسط ارتعاشات همین یون های به دام افتاده ایجاد شده اند. این نوسانگرها ماده را نشان می دهند.
با ترکیب این دو، محققان یک چرخه ساده ساختند که به عنوان بلوک اصلی نظریه شبکه عمل می کند. دو نوسانگر ماده را در دو مکان مختلف نشان می دهند، در حالی که دو کیوبیت نشان دهنده میدان هایی هستند که آن مکان ها را به هم متصل می کنند.
اگرچه دستگاه کوچک بود، اما برای بازتولید یک برهمکنش مهم بین ماده و شار مغناطیسی کافی بود.
درهم تنیدگی کوانتومی راه حلی شگفت انگیز ایجاد می کند
سپس محققان دو کیوبیت را در حالت کوانتومی درهم تنیده قرار دادند. درهم تنیدگی پدیده‌ای است که در آن سیستم‌های کوانتومی به روش‌هایی به هم متصل می‌شوند که توسط فیزیک کلاسیک به طور کامل قابل توضیح نیست.
در تئوری شبکه شبیه‌سازی شده تیم، این حالت درهم‌تنیده، شار مغناطیسی را نشان می‌دهد که از مرکز حلقه عبور می‌کند.
در ابتدا، محققان برنامه ریزی کردند که شار مغناطیسی را به عنوان یک حالت پس زمینه ثابت معرفی کنند. با این حال، ایجاد تعامل لازم به قابلیت هایی نیاز دارد که سخت افزار کوانتومی آنها از آن برخوردار نیست.
رمزگذاری شار مستقیماً در کیوبیت ها یک جایگزین عملی ارائه کرد. مهمتر از آن، به شار مغناطیسی اجازه داد تا بخشی از سیستم کوانتومی در حال تکامل شود، نه اینکه یک تأثیر خارجی تغییرناپذیر باقی بماند.
دکتر سانر می گوید: برای ما، گام هیجان انگیز رمزگذاری شار مغناطیسی در یک میدان اندازه گیری بود که خود پویا بود. به جای اینکه ماده در یک پس زمینه ثابت تکامل یابد، ماده و میدان سنج بخشی از دینامیک کوانتومی یکسانی می شوند.
آنچه به عنوان یک راه حل فنی آغاز شد در نهایت به محققان اجازه داد تا نسخه جالب تری از این پدیده را بررسی کنند که در آن ماده و میدان می توانند با هم در دینامیک کوانتومی شرکت کنند.
یک اثر کوانتومی که حرکت ذرات را متوقف می کند
دانشمندان با حلقه شبیه سازی شده خود بررسی کردند که چگونه یک ذره ماده از طریق فرآیندی به نام تونل زنی کوانتومی بین مکان ها حرکت می کند.
تونل زنی کوانتومی به ذرات اجازه می دهد تا بین حالت هایی حرکت کنند که با قوانین کلاسیک معمولی امکان پذیر نیست.
هنگامی که محققان شبیه سازی خود را بدون شار مغناطیسی اجرا کردند، این ذره توانست آزادانه در اطراف حلقه تونل بزند.
معرفی جریان شبیه‌سازی‌شده، نتیجه‌ای کاملا متفاوت ایجاد کرد.
این ذره دو مسیر ممکن در اطراف حلقه داشت، اما شار مغناطیسی فازهای کوانتومی نسبی آنها را تغییر داد. در نتیجه، این دو مسیر به طور مخربی تداخل دارند، به این معنی که سهم کوانتومی آنها یکدیگر را خنثی می کند.
این تداخل به طور کامل تونل زنی را سرکوب می کند و ذره شبیه سازی شده را در حالت اولیه منجمد می کند.
نتیجه اثر آهارونوف-بوهم را در یک نظریه گیج شبکه حاوی میدان دینامیکی نشان می‌دهد. این آزمایش به‌جای بازتولید رفتار آشنای ذره‌ای که در اطراف میدان مغناطیسی ثابت حرکت می‌کند، نشان داد که چگونه زمانی که ماده و میدان توسط اجزای کوانتومی برهمکنش نشان داده می‌شوند، این پدیده می‌تواند رخ دهد.
ابزاری جدید برای مطالعه فیزیک بنیادی
یافته های آکسفورد در کنار مطالعه مرتبط توسط محققان دانشگاه مریلند به رهبری پروفسور نوربرت لینکه منتشر شد.
تیم مریلند همچنین از یک سیستم کوانتومی ترکیبی استفاده کرد، اما آزمایش آنها بر شبیه‌سازی پتانسیل یوکاوا، یک توصیف ریاضی از یک برهمکنش مرتبط با فیزیک هسته‌ای و ذرات متمرکز بود.
اگرچه این دو گروه تحقیقاتی روش های خود را به طور مستقل توسعه دادند، اما بعداً ارائه مطالعات خود را هماهنگ کردند فیزیک طبیعی.
این آزمایش‌ها با هم نشان می‌دهند که چگونه رایانه‌های کوانتومی ترکیبی می‌توانند به ابزارهای ارزشمندی برای مطالعه برهمکنش‌های اساسی تبدیل شوند که بازتولید آنها با استفاده از شبیه‌سازی‌های کلاسیک دشوار است.
با ترکیب انواع مختلف مولفه‌های کوانتومی، محققان می‌توانند سیستم‌هایی بسازند که در آن ماده و میدان‌ها به گونه‌ای نمایش داده می‌شوند که فیزیک مورد نظر آنها را با دقت بیشتری منعکس کند.
آزمایش آکسفورد نمونه ای از این پتانسیل است. پدیده‌ای که ابتدا در سال 1959 پیش‌بینی شد و بعداً با الکترون‌ها مشاهده شد، اکنون در یک شبیه‌ساز کوانتومی بازآفرینی شده است، جایی که خود میدان در دینامیک شرکت می‌کند و روش دیگری را برای بررسی قوانین غیرعادی حاکم بر جهان کوانتومی به دانشمندان ارائه می‌دهد.
