برای اینکه یک ذره تحت تاثیر میدان مغناطیسی قرار بگیرد، لازم نیست از میان آن عبور کند. این ویژگی شگفت انگیز فیزیک کوانتومی اکنون توسط پژوهشگران دانشگاه آکسفورد بازآفرینی شده است. آنها از یک کامپیوتر کوانتومی هیبریدی برای نشان دادن اینکه چگونه یک تاثیر مغناطیسی نامرئی می تواند حرکت ذره شبیه سازی شده را به طور کامل متوقف کند، استفاده کردند.

تصویر هنری از حلقه تشکیل شده توسط سیستم کوانتومی هیبریدی. فرفره های چرخان نشان دهنده کیوبیت ها و فنرها نشان دهنده نوسانگرهای کوانتومی هستند که در کنار هم هندسه پلاکت مورد مطالعه در آزمایش را تشکیل می دهند و به یک الگوی شبکه ای تکرار شونده گسترش می یابند. شار آهارونوف-بوهم به حلقه مرکزی نفوذ کرده که یکی از نتایج اصلی پژوهش را برجسته می کند.

این آزمایش پدیده ای به نام اثر آهارونوف-بوهم را بازتولید کرده که در آن ذره ای باردار که در اطراف ناحیه ای حاوی شار مغناطیسی حرکت می کند، یک تغییر قابل اندازه گیری در حالت کوانتومی خود را تجربه می کند، حتی اگر مسیر آن هرگز از میان خود میدان مغناطیسی عبور نکند.

گروه دانشگاه آکسفورد با استفاده از یک سیستم کوانتومی، که کیوبیت ها (واحدهای پایه اطلاعات کوانتومی) را با نوسانگرهای کوانتومی که نشان دهنده حرکت ارتعاشی هستند ترکیب می کند، به این هدف دست پیدا کرده است. یافته های آنها که در مجله Nature Physics منتشر شده، نشان می دهد که چگونه این ترکیب می تواند به دانشمندان در مطالعه برهمکنش های اساسی بین ماده و میدان ها که شبیه سازی آنها با استفاده از کامپیوترهای معمول به طور فزاینده ای دشوار است، کمک کند.

یک اثر کوانتومی عجیب که در سال 1959 پیش بینی شد

در فیزیک روزمره، ذره باردار به میدان های الکتریکی و مغناطیسی ای که با آنها مواجه می شود، واکنش نشان می دهد. با این وجود، مکانیک کوانتومی نشان می دهد که ذرات می توانند به شیوه هایی رفتار کنند که هیچ معادل سرراستی در تجربه معمول ما ندارند.

در سال 1959، فیزیکدانان یاکیر آهارونوف Yakir Aharonov و دیوید بوهم David Bohm پیش بینی کردند که یک ذره باردار می تواند تحت تاثیر شار مغناطیسی قرار گیرد، حتی اگر کاملا خارج از ناحیه حاوی میدان مغناطیسی حرکت کند. این ذره به جای اینکه در طول مسیر خود، نیروی مغناطیسی معمول را تجربه کند، دستخوش تغییر در فاز کوانتومی خود خواهد شد.

فاز کوانتومی جنبه ای از رفتار موجی ذره را توصیف می کند که بر چگونگی تداخل مسیرهای مختلف ممکن با یکدیگر تاثیر می گذارد. اگرچه خود فاز به طور مستقیم قابل مشاهده نیست، اما اختلاف در فاز می تواند اثرات قابل اندازه گیری ایجاد کند.

این پیش بینی به عنوان اثر آهارونوف-بوهم شناخته شد و سرانجام در آزمایش هایی شامل الکترون های واقعی تایید شد. این اثر همچنان یکی از واضح ترین اثبات هایی است که نشان می دهد دنیای کوانتومی بر اساس قوانینی عمل می کند که فراتر از قوانین آشنای فیزیک کلاسیک هستند.

پژوهشگران اکنون در حال بررسی چگونگی رفتار این پدیده در سیستم های نظری پیچیده تری هستند که به عنوان نظریه های پیمانه ای شبکه ای شناخته می شوند.

این نظریه ها چگونگی برهمکنش ماده با میدان های مرتبط با نیروهای بنیادی را توصیف می کنند. آنها فضا را به صورت یک شبکه (توری) نمایش می دهند که در آن، ماده در نقاط مجزا واقع شده و میدان ها با اتصالات بین آنها مرتبط هستند. چنین مدل هایی به ویژه در فیزیک ذرات و فیزیک انرژی بالا اهمیت دارند که در آنها دانشمندان، ذرات و برهمکنش های اساسی تشکیل دهنده جهان را مطالعه می کنند.

چالش این است که با پیچیده تر شدن این سیستم ها، ریاضیات فوق العاده دشوار می شود. حتی کامپیوترهای معمولی قدرتمند ممکن است برای محاسبه چگونگی تکامل همه اجزای در تعامل با هم، با مشکل مواجه شوند.

کامپیوترهای کوانتومی رویکرد متفاوتی ارائه می دهند. دانشمندان به جای تلاش برای محاسبه هر جنبه از یک سیستم کوانتومی با استفاده از روش های محاسباتی کلاسیک، می توانند سیستم کوانتومی دیگری بسازند که از همان قوانین اساسی پیروی کند. آنها سپس می توانند رفتار آن را به طور مستقیم مشاهد کنند، رویکردی که به عنوان شبیه سازی کوانتومی شناخته می شود.

چگونه دانشمندان آزمایش کوانتومی را انجام دادند

پروژه دانشگاه آکسفورد در سال 2022 آغاز شد، زمانی که نویسنده اصلی مقاله دکتر سباستین سانِر Sebastian Saner، دکتر اوآنا بازاوان Oana Bazavan و همکارانشان، شروع به توسعه روشی برای شبیه سازی نظریه های پیمانه ای شبکه ای با استفاده از یک سیستم کوانتومی هیبریدی کردند. آنها با دکتر آلخاندرو برمودِز Alejandro Bermudez از موسسه فیزیکا تئوریکا در مادرید همکاری کردند.

طراحی آزمایشگاهی آنها بر دو مولفه کوانتومی مختلف متکی بود که عملکردهای جداگانه ای انجام می دادند.

اولین مورد شامل کیوبیت هایی بود که در حالتهای داخلی یون های به دام افتاده کدگذاری شده بودند. اینها اتمهای دارای بار الکتریکی هستند که با استفاده از میدان های الکترومغناطیسی در جای خود نگه داشته می شوند. این کیوبیت ها، میدان های پیمانه ای را در مدل نظری نشان می دادند.

مولفه دوم، از نوسانگرهای کوانتومی استفاده می کرد که توسط ارتعاشات همان یون های به دام افتاده ایجاد میشدند. این نوسانگرها نمایانگر ماده بودند.

با ترکیب این دو، پژوهشگران یک حلقه ساده ساختند که به عنوان قطعه سازنده پایه یک نظریه پیمانه ای شبکه ای عمل می کرد. دو نوسانگر، ماده را در دو مکان متفاوت نمایش میدادند، در حالیکه دو کیوبیت، میدان های متصل کننده آن مکانها را نشان می دادند.

اگرچه این چیدمان کوچک بود، اما برای بازتولید یک برهمکنش مهم بین ماده و شار مغناطیسی کافی به نظر می رسید.

در همتنیدگی کوانتومی یک راه حل شگفت انگیز ایجاد می کند

پژوهشگران، سپس دو کیوبیت را در یک حالت کوانتومی در همتنیده قرار دادند. در همتنیدگی پدیده ای است که در آن سیستم های کوانتومی به روشهایی به هم مرتبط می شوند که نمی توانند به طور کامل توسط فیزیک کلاسیک توضیح داده شوند.

در نظریه پیمانه ای شبکه ای شبیه سازی شده توسط گروه، این حالت درهمتنیده، شار مغناطیسی عبوری از مرکز حلقه را نشان می دهد.

در ابتدا، پژوهشگران قصد داشتند که شار مغناطیسی را به عنوان یک شرط پس زمینه ثابت معرفی کنند. اما ایجاد برهمکنش لازم، نیازمند قابلیت هایی بود که سخت افزار کوانتومی آنها فاقد آن بود.

کدگذاری مستقیم شار مغناطیسی در کیوبیت ها، یک جایگزین عملی ارائه داد. مهم تر از آن، این روش به شار مغناطیسی اجازه داد تا به جای اینکه فقط یک تاثیر خارجی تغییرناپذیر باقی بماند، به بخشی از سیستم کوانتومی در حال تکامل تبدیل شود.

دکتر سانر می گوید :"برای ما، گام هیجان انگیز، کدگذاری شار مغناطیسی در یک میدان پیمانه ای بود که خود، دینامیکی بود. به جای اینکه ماده در یک پس زمینه ثابت تکامل یابد، ماده و میدان پیمانه ای به بخشی از یک دینامیک کوانتومی یکسان تبدیل می شوند."

آنچه که به عنوان یک راه حل جایگزین فنی آغاز شد، در نهایت پژوهشگران را قادر ساخت تا نسخه جالب تری از این پدیده را بررسی کنند، نسخه ای که در آن ماده و میدان می توانند با یکدیگر در دینامیک کوانتومی سهیم شوند.

یک اثر کوانتومی که حرکت ذره را متوقف می کند

دانشمندان با قرار دادن حلقه شبیه سازی شده در جای 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 حالتها به روشهایی حرکت کنند که تحت قوانین کلاسیک معمول امکان پذیر نباشد.

وقتی پژوهشگران شبیه سازی خود را بدون شار مغناطیسی اجرا کردند، ذره توانست به طور آزادانه اطراف حلقه تونل بزند.

اعمال شار شبیه سازی شده، یک نتیجه 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، دو مسیر به طور ویرانگر تداخل کردند، به این معنی که سهم کوانتومی آنها یکدیگر را خنثی کرد.

این تداخل، تونل زنی را به طور کامل سرکوب کرد و ذره شبیه سازی شده را در حالت اولیه اش فریز کرد.

این نتیجه، اثر آهارونوف-بوهم را در یک نظریه پیمانه ای شبکه ای شامل یک میدان دینامیکی، نمایش داد. این آزمایش به جای بازتولید ساده رفتار آشنای یک ذره متحرک حول یک اثر مغناطیسی ثابت، نشان داد که چگونه این پدیده می تواند زمانی که ماده و میدان هر دو توسط مولفه های کوانتومی برهمکنش کننده نمایش داده می شوند، پدیدار شود.

ابزاری جدید برای کاوش در فیزیک بنیادی

یافته های دانشگاه آکسفورد در کنار یک مطالعه مرتبط توسط پژوهشگران دانشگاه مریلند به رهبری پروفسور نوربرت لینک Norbert Linke منتشر شده است.

گروه مریلند هم از یک سیستم کوانتومی هیبریدی استفاده کرد، اما آزمایش آنها بر شبیه سازی پتانسیل یوکاوا، یک توصیف ریاضی از یک برهمکنش مرتبط با فیزیک هسته ای و ذرات، تمرکز داشت.

اگرچه این دو گروه پژوهشی روشهای خود را به طور مستقل توسعه دادند، اما آنها بعداً مطالعات خود را به طور هماهنگ به مجله Nature Physics ارسال کردند.

این آزمایشها در کنار هم نشان می دهند که چگونه کامپیوترهای کوانتومی هیبریدی می توانند به ابزارهای ارزشمندی برای مطالعه برهم کنش های بنیادی که بازتولید آنها با استفاده از شبیه سازی های کلاسیکی دشوار است، تبدیل شوند.

با ترکیب انواع مختلف از اجزای کوانتومی، پژوهشگران می توانند سیستم هایی بسازند که در آنها ماده و میدان ها به شیوه هایی نمایش داده می شوند که فیزیک مورد نظرشان را به طور دقیق تری بازتاب دهند.

آزمایش دانشگاه آکسفورد نمونه ای از این پتانسیل را ارائه می دهد. پدیده ای که ابتدا در سال 1959 پیش بینی و بعداً با الکترونها مشاهده شد، اکنون در یک شبیه ساز کوانتومی که در آن خود میدان در دینامیک شرکت می کند، بازسازی شده است و به دانشمندان روش دیگری را برای کشف قوانین غیر معمول حاکم بر دنیای کوانتومی ارائه می دهد.

منبع:

Scientists recreate a bizarre quantum effect that stops a particle cold

ترجمه خبر: بهناز ساربانها