شرح خبر


فیزیک‌پیشگان استرالیایی از رایانه‌ای کوانتومی پرده‌برداری کردند که می‌تواند برهم‌کنش‌های میان ذرات بنیادی را شبیه‌سازی کند. برای مدل‌سازی فیزیک این پدیده که تولید و نابودی جفت ذره الکترون-پوزیترون را شرح می‌دهد، از چهار یون به دام‌افتاده استفاده می‌شود. با این که نتیجه به سادگی با کمک رایانه‌های معمولی قابل محاسبه است، اما زمانی که مقیاس آن بزرگ شود تا شامل حدود 30 یون باشد، مشکلاتی که حتی فراتر از توان ابرکامپیوترهای بسیار قدرتمند هستند، با این رایانه‌های کوانتومی قابل حل خواهد شد.


تولید جفت: یون‌های به دام‌افتاده جفت‌های الکترون-پوزیترون را شبیه‌سازی کرده‌اند


قوانین عجیب مکانیک کوانتومی موجب می‌شود که مدل‌سازی رفتار تعداد زیادی از ذرات میکروسکوپیک با استفاده از رایانه‌های کلاسیک بسیار دشوار باشد. زیرا این ذرات می‌توانند در حالت برهم نهی از چندین-موقعیت باشند و با ذرات دیگر درهم‌تنیده شوند، با افزایش تعداد ذرات، توان پردازش کلاسیک که لازم است تا برهم‌کنش‌های آن‌ها به‌طور کامل شرح داده شود، به صورت نمایی بالا می‌رود. این همان واقعیتی است که ریچارد فاینمن را در اوایل دهه 1980 واداشت تا برای مدل‌سازی رفتار سیستم‌های کوانتومی دیگر، استفاده از خود سیستم‌های کوانتومی (در قالب رایانه‌های کوانتومی) را پیشنهاد کند.


این خیال در سال‌های اخیر به واقعیت تبدیل شد و دانشمندان برای شبیه‌سازی واکنش‌های شیمیایی یا طراحی انواع جدیدی از سیستم‌های ماده-چگال رایانه‌های کوانتومی را ساختند. این ادوات چیزی فقط شبیه به رایانه‌های همه-منظوره افسانه‌‌ای بودند که قادر به جداسازی فاکتورهای اعداد بزرگی بودند که می‌توانست شامل تعداد زیادی از بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها باشد. در عوض، تا امروز آن‌ها تنها کار با پنج کیوبیت را میسر کرده‌اند، که هر یک به عنوان یک دستگاه آنالوگ کار می‌کند، و در آن برهم‌کنش‌های میان کیوبیت‌ها خیلی شبیه به برهم‌کنش میان ذرات شبیه‌سازی شده است، یا هر یک به شکل دیجیتال کار می‌کند که در آن هر برهم کنش به صورت یک سری عملیات منطقی گسسته نمایش داده می‌شود.


نظریه‌های پیمانه‌ای


Peter Zoller، Rainer Blatt  و هم‌کارانشان در دانشگاه اینسبروک و موسسه کوانتوم اپتیک و اطلاعات کوانتومی (IQOQI) رایانه کوانتومی دیجیتالی ساخته و از آن برای شبیه‌سازی فیزیک نظریه پیمانه‌ای استفاده کردند. این نظریه ها شرح می‌دهد که چگونه ذرات بنیادی نظیر کوارکها و الکترونها با یکدیگر برهم‌کنش دارند و در قلب مدل استاندارد فیزیک ذرات هستند. با این وجود، آن‌ها محدودیت‌های زیادی را پیش روی مدل‌سازی قرار میدهند، زیرا هریک از برهم‌کنش‌هایی را که توضیح می‌دهند باید از مجموعه‌ای از قوانین بقا پیروی کند، که در دیگر انواع شبیه‌سازی مورد نیاز نیست. اما در طی چند سال اخیر، نظریه‌پردازان شروع به تدوین الگوریتم‌هایی کردند که به رایانه‌های کوانتومی اجازه می‌دهد نظریه‌های پیمانه‌ای را مدلسازی کنند.


تیم اتریشی الگوریتمی کوانتومی را برای مدل‌سازی کارآمد نوع ساده‌ای از نظریه پیمانه‌ای طراحی و پیاده‌سازی کرد، یعنی الکترودینامیک کوانتومی. رایانه‌ای که پژوهش‌گران برای اجرای الگوریتم مورد استفاده قرار دادند، از چهار یون کلسیم به عنوان کیوبیت بهره می‌برد. این یون‌ها در میدان‌های الکتریکی محبوس شده بودند و توسط لیزری دستکاری می‌شدند، به طوری که هر یون می‌توانست در حالت برهم‌نهی دو سطح انرژی قرار گیرد و با یون‌های دیگر درهم‌تنیده شود.


هر یون موقعیتی از فضا و دو سطح انرژی آن را که  متناظر با وجود یا عدم وجود ذره زیراتمی خاصی (الکترون یا پوزیترون) است، به نمایش می‌گذارد. در ابتدا موقعیت هر یون به گونه‌ای تنظیم می‌شود که وجود هیچ ذره‌ای را نمایش ندهد، به این معنا که سیستم شبیه‌سازی شده در آن نقطه در حالت خلأ مطلق است. سپس توسط پالس‌های لیزر قرمز که به سمت این یون‌ها تابیده می‌شود، حالات کوانتومی آنها تغییر می‌کند. این پالس‌ها می‌توانند سه اثر ایجاد کنند: تولید یا نابودی جفت الکترون-پوزیترون در خلأ، بر هم‌کنش‌های کولنی بلندبرد الکتریکی میان ذرات، یا انرژی منسوب با جرم ذرات. هنگامی که توالی پالس‌های لیزر خاتمه می‌یابد، حالت نهایی هر کیوبیت، با استفاده از پرتوی لیزر دیگری(آبی رنگ) خوانده می‌شود که موجب می‌شود وقتی یون‌ها در یک سطح انرژی هستند، از خود نور ساطع کنند اما وقتی در یک سطح نباشند، نوری ساطع نمی‌کنند.


اثبات این اصل


این گروه دریافتند که رایانه کوانتومی‌شان حالت نهایی را به طور صحیح و با حاشیه خطایی که به واسطه نوفه لیزر و دیگر محدودیت‌های ابزارهای آزمایشگاه ایجاد شده، پیش‌بینی کرده است. با وجود آن‌که محاسبات با استفاده از کامپیوتر رومیزی معمولی به سادگی قابل انجام است، Christine Muschik   یکی از اعضای این گروه از IQOQI می‌گوید این نتایج نمایشی از اثبات این اصل است که می‌توان از رایانه‌های کوانتومی برای شبیه‌سازی برهم‌کنش‌های توضیح داده‌شده توسط نظریه‌های پیمانه‌ای استفاده کرد.


این پژوهش در Nature به چاپ رسیده است. Erez Zohar  از موسسه اپتیک کوانتومی ماکس پلانک در گارشینگ آلمان در تفسیر ضمیمه‌شده به آن، موافقت خود را با این موضوع اعلام می‌دارد که این پژوهش نشان می‌دهد «این امری واقع‌گرایانه است که می‌توان از روش‌های اپتیک کوانتومی برای مطالعه فیزیک ذرات و نیروهای بنیادین استفاده کرد». او بر این باور است رایانه‌ای را که گروه اتریشی ساختند، «به عنوان چراغ راهی» برای سایر فیزیک‌پیشگانی است که درصدد ساخت ادوات پیچیده‌تر هستند، که بنا به گفته او می‌تواند در شبیه‌سازی سیستم‌های ذرات در بیش از یک بعد، یا اصلاح نظریه‌های پیمانه‌ای پیچیده‌تر مانند کرومودینامیک کوانتومی به کار گرفته شود.


Esteban Martinez  از اعضای این گروه، از دانشگاه اینسبروک می‌گوید شبیه‌سازهای کوانتومی، وقتی حدود 30 کیوبیت دارند، باید عملکردی فراتر از بهترین رایانه‌های کلاسیک داشته باشند. او خاطرنشان کرد در حقیقت این گروه تاکنون شبیه‌سازی با چندین یون درست کرده‌اند، اما عملکرد این دستگاه به دلیل دشواری دنبال کردن تک‌یون‌ها و ناپایداری لیزرها و میدان‌های مغناطیسی با محدودیت روبه‌رو است. او می‌گوید «ما در حال تلاش برای بهبود این موارد هستیم به طوری که بتوانیم از 30 یون به همین شکل استفاده کنیم، در حالی که الان با 4 یون کار می‌کنیم». او در خصوص این‌که چه وقت این امر میسر می‌شود می‌گوید «10 سال بازه زمانی کاملاً معقولی برای این کار است».


این پژوهش در Nature به چاپ رسیده است.


نویسنده:Edwin Cartlidge  علمی‌نویس ساکن رم.


منبع:  Quantum computer simulates fundamental particle interactions for the first time


مرجع: Real-time dynamics of lattice gauge theories with a few-qubit quantum computer




نویسنده خبر: مهسا توکلی دوست
کد خبر :‌ 2072
«استفاده از اخبار انجمن فیزیک ایران و انتشار آنها، به شرط
ارجاع دقیق و مناسب به خبرنامه‌ی انجمن بلا مانع است.»‌



حامیان انجمن فیزیک ایران   (به حامیان انجمن بپیوندید)

کلیه حقوق مربوط به محتویات این سایت محفوظ و متعلق به انجمن فیریک ایران می‌باشد.
Webmaster : Ali Meschian : www.irandg.com

www.irandg.com