محققان به رهبری مرکز کوانتومی دوک (DQC) از یک شبیه‌ساز کوانتومی برای مشاهده دینامیک ریسمان‌شکن مرتبط با تشکیل ذره-پادذره استفاده کرده‌اند که یکی از اولین نمایش‌ها در نوع خود در فیزیک کوانتومی است.
این اثر در 23 سپتامبر منتشر شد فیزیک طبیعی، نشان می دهد که چگونه کامپیوترهای کوانتومی یونی به دام افتاده می توانند به ابزار قدرتمندی برای بررسی برخی از عمیق ترین سوالات در فیزیک بنیادی تبدیل شوند. این آزمایش فرآیندی را شبیه‌سازی کرد که به عنوان قطع رشته شناخته می‌شود، که در آن دو بلوک سازنده ماده از هم جدا می‌شوند تا زمانی که انرژی زیادی ایجاد شود که ذرات جدید به طور مؤثری در هنگام شکسته شدن پیوند ظاهر شوند.
کریستوفر مونرو، استاد برجسته مهندسی برق و کامپیوتر و فیزیک خانواده گیلهولی در دوک، که این تحقیق را رهبری می‌کرد، می‌گوید: «شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای کوانتومی بهترین بستر را برای مطالعه سؤالات پیچیده مانند شکل‌گیری ماده فراهم می‌کنند، بدون اینکه شاهد خود انفجار بزرگ باشیم. این یافته‌ها نشان‌دهنده پیشرفت قابل‌توجهی در زمینه علوم کوانتومی است و راه‌های جدیدی را برای درک پویایی شکستن ریسمان باز می‌کند.»
این مطالعه توسط یک همکاری بین المللی شامل محققانی از دانشگاه مریلند (UMD)، دانشگاه آکسفورد، کلتک، دانشگاه کرنل و KU Leuven انجام شد. این یافته ها در کنار دو مطالعه دیگر که اخیراً توسط تیم های جداگانه منتشر شده است که فیزیک مشابه را با استفاده از انواع مختلف سخت افزار کامپیوتر کوانتومی تکرار می کنند، ظاهر می شود.
چرا کوارک ها را نمی توان از هم جدا کرد؟
کوارک ها از اساسی ترین اجزای سازنده ماده هستند. آنها در داخل ذراتی مانند پروتون و نوترون یافت می شوند و تقریباً یک میلیارد بار کوچکتر از یک اتم هستند. در حال حاضر، دانشمندان نمی توانند به طور مستقیم کوارک های جدا شده را مشاهده کنند، زیرا کوارک ها معمولاً به طور محکم به هم متصل می شوند.
یکی از راه های تصور این است که دو ذره باردار کوچک را تصور کنید که توسط یک رشته محکم کشیده شده است. هرچه فاصله آنها بیشتر باشد، انرژی بیشتری در پیوند بین آنها ذخیره می شود.
در نهایت، انرژی کافی برای ایجاد ذرات باردار اضافی ایجاد می شود. این امکان پذیر است زیرا جرم و انرژی با معادله معروف انیشتین E=mc مرتبط هستند2. به جای اینکه به یک جفت جدا شده ختم شود، پیوند اصلی شکسته شده و جفت‌های جدیدی از ذرات تشکیل می‌شوند.
چنین فرآیندهایی به مقادیر زیادی انرژی نیاز دارند و معمولاً فقط در شرایط شدید رخ می‌دهند، مانند مواردی که در برخورددهنده بزرگ هادرون ایجاد شده‌اند یا تصور می‌شود که اندکی پس از انفجار بزرگ وجود داشته‌اند.
بازآفرینی شکست های رشته در ماشین کوانتومی
در آزمایش جدید، تیم دوک با استفاده از یک پلت فرم کوانتومی با یون‌های به دام افتاده، رفتارهای مشابهی را برای شکستن رشته‌ها تکرار کردند. شبیه سازهای کوانتومی به ویژه برای این نوع کار مفید هستند، زیرا محققان می توانند دقیقاً آنها را کنترل و برنامه ریزی کنند تا فرآیندهای فیزیکی را که در مقیاس اتمی و زیر اتمی رخ می دهند، تقلید کنند.
آرینجوی دی، نویسنده اول مقاله، همکار سابق فوق دکترا در آزمایشگاه مونرو و اکنون مدیر موتور تولید در QuEra Computing، می‌گوید: «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، راه‌های جدیدی را برای مطالعات تجربی رفتار ماده در اساسی‌ترین سطح آن باز می‌کنیم.»
برای ساخت این شبیه‌سازی، محققان مدل شکست رشته‌ای را در زنجیره‌ای از ۱۳ 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 رشته به عنوان یک ذره تکرار شود.
تماشای تکامل سیستم کوانتومی
محققان سیستم را در حالت خارج از تعادل آماده کردند و سپس چگونگی تغییر آن را در طول زمان مشاهده 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 تأیید نتایج، تیم فرآیند مشابه را با استفاده از یک کامپیوتر کلاسیک مدل‌سازی کردند. محاسبات کلاسیک با نتایج تجربی به دست آمده از شبیه ساز کوانتومی مطابقت دارد.
برای شبیه سازی در این مقیاس نسبتا کوچک، کامپیوترهای کلاسیک هنوز هم 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 اخیراً با استفاده از اشکال مختلف سخت افزار کوانتومی به نقاط عطف مشابهی دست یافته اند. تیم هایی به رهبری گوگل و QuEra Computing به ترتیب با استفاده از زنجیره های ابررسانا و اتم های خنثی، مدل های مرتبط را برای شکستن رشته ها بازسازی کرده اند. 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.
به سمت شبیه سازی فراتر از ابر رایانه ها
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 مقیاس‌پذیری 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 داودی، دانشیار فیزیک در UMD که بخشی از تیم تحقیقاتی بود، گفت: به عنوان یک فیزیکدان، مطالعه شرایط جهان اولیه در یک ماشین محاسباتی سطح اتمی فوق العاده هیجان انگیز است. “حتی کوچکترین بینش از یک مدل فیزیکی 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 و دفاعی نیروی هوایی آمازون، آژانس تحقیقات علمی دفاعی آمازون، آمازون پشتیبانی شد.
