پژوهشگران دانشگاه آکسفورد با استفاده از یک کامپیوتر کوانتومی ترکیبی موفق شدند اثر کوانتومی خاصی را بازسازی کنند که منجر به توقف کامل حرکت یک ذره شبیهسازی شده می‌شود. این دستاورد نشان می‌دهد یک میدان مغناطیسی نامرئی می‌تواند بدون تماس مستقیم با ذره، مسیر حرکت آن را مسدود کند.
این آزمایش پیچیده دریچه‌ای برای بررسی تعاملات بنیادی میان ماده و میدان‌ها گشود. شبیه‌سازی‌هایی از این دست برای کامپیوترهای معمولی غیرممکن است، چرا که با پیچیده‌تر شدن سیستم، محاسبات ریاضی به شدت دشوار شده و نیاز به سخت‌افزارهایی فراتر از توان فعلی است.
اثر آهارونوف-بوم و پیش‌بینی سال ۱۹۵۹
در فیزیک کلاسیک، ذرات تنها زمانی واکنش نشان می‌دهند که مستقیماً با میدانهای الکتریکی یا مغناطیسی برخورد کنند؛ اما دنیای مکانیک کوانتومی روایت متفاوتی دارد.
Yakir Aharonov و David Bohm در سال ۱۹۵۹ پیش‌بینی کردند که یک ذره باردار حتی اگر خارج از محدوده میدان مغناطیسی حرکت کند، باز هم تحت تأثیر شار مغناطیسی قرار می‌گیرد.
این پدیده که به اثر آهارونوف-بوم شهرت یافت، بر تغییر در فاز کوانتومی استوار است. فاز کوانتومی در واقع بخشی از رفتار موجی ذره است و تعیین میکند مسیرهای احتمالی مختلف چگونه با هم تداخل کنند. هرچند این فاز مستقیماً دیده نمی‌شود، اما اثراتش در آزمایش‌های دقیق قابل اندازه‌گیری است.
اکنون دانشمندان در تلاش‌اند تا رفتار این پدیده را در سیستم‌های پیچیده‌تری مثل تئوری‌های پیمانهای شبکه بررسی کنند. در این مدل‌ها، فضا شبیه به یک شبکه است که ماده در نقاط مجزا و میدان‌ها در اتصالات این نقاط قرار می‌گیرند. پروژه دانشگاه آکسفورد برای شبیهسازی این تئوری‌ها از سال ۲۰۲۲ آغاز شد و دکتر سباستین سانر، دکتر اوآنا بازاوان و همکارانشان در این مسیر با دکتر آلخاندرو برمودز از مؤسسه فیزیک نظری (Instituto de Física Teórica) در مادرید همکاری کردند.
شبیهسازی دینامیک کوانتومی در دانشگاه آکسفورد
این تیم برای اجرای آزمایش از یک سیستم ترکیبی بهره بردند. آنها کیوبیتها را در حالت‌های داخلی یون‌های به‌دام‌افتاده کدگذاری کردند تا نقش میدانهای پیمانهای را ایفا کنند و نوسانگرهای کوانتومی حاصل از ارتعاشات همین یون‌ها را به عنوان نمادی از ماده در نظر گرفتند.
بخش هیجان‌انگیز کار ما، کدگذاری شار مغناطیسی در یک میدان پیمانهای (gauge field) بود که خود پویا بود. به جای اینکه ماده در یک پس‌زمینه ثابت تکامل یابد، حالا ماده و میدان پیمانهای هر دو بخشی از یک دینامیک کوانتومی واحد هستند.
دکتر Saner این تحلیل را درباره تعامل ماده و میدان در سیستم جدید ارائه کرد. آنها برای شبیهسازی عبور شار مغناطیسی از مرکز حلقه، دو کیوبیت را در وضعیت درهم‌تنیده قرار دادند.
در مرحله آخر، محققان جابه‌جایی ذرات را از طریق تونلزنی کوانتومی بررسی کردند. ذرات در حالت عادی آزادانه حرکت می‌کردند، اما ورود شار مغناطیسی باعث ایجاد تداخل ویرانگر شد. این تداخل اثرات کوانتومی مسیرهای مختلف را خنثی کرد و در نتیجه ذره در حالت اولیه خود منجمد شد.
نتایج این تیم هم‌زمان با پژوهشی از دانشگاه مریلند به رهبری پروفسور Norbert Linke منتشر شد. تیم مریلند بر شبیهسازی پتانسیل یوکاوا تمرکز کرده بود که در فیزیک هسته‌ای اهمیت زیادی دارد. هر دو مقاله در نشریه Nature Physics چاپ شده‌اند و قدرت کامپیوترهای کوانتومی هیبریدی را در کاوش‌های فیزیک بنیادی به رخ می‌کشند.
برای آشنایی با پیشرفت‌های تکنولوژیک دیگر، می‌توانید مطلب نرم‌افزاری که طراحی معماری را متحول میکند را مطالعه کنید.
این پژوهش ثابت میکند تعاملات پیچیده ماده و میدانهای بنیادی را می‌توان از طریق شبیهسازی کوانتومی مشاهده کرد؛ کاری که برای کامپیوترهای کلاسیک غیرممکن است. توقف حرکت یک ذره توسط میدانی نامرئی، درک ما را از ساختار جهان و قوانین حاکم بر ذرات بنیادی در مقیاس‌های بسیار کوچک تغییر می‌دهد.
پرسش‌های پرتکرار
اثر آهارونوف-بوم چیست؟
پدیدهای کوانتومی است که در آن یک ذره باردار حتی بدون اینکه وارد میدان مغناطیسی شود، تحت تأثیر شار مغناطیسی قرار گرفته و فاز کوانتومی آن تغییر میکند.
دانشمندان آکسفورد چگونه حرکت ذره را متوقف کردند؟
آنها با ایجاد شار مغناطیسی در یک شبیهساز کوانتومی، باعث شدند مسیرهای احتمالی حرکت ذره دچار تداخل ویرانگر شوند؛ در نتیجه تونلزنی کوانتومی متوقف شده و ذره منجمد شد.
نقش کامپیوتر کوانتومی ترکیبی در این آزمایش چه بود؟
این سیستم با ترکیب کیوبیتها (برای نمایش میدانهای پیمانهای) و نوسانگرهای کوانتومی (برای نمایش ماده)، محیطی را فراهم کرد که بتوان تعاملات پویا بین ماده و میدان را شبیهسازی کرد.
