9 دقیقه
ماشین‌های کوانتومی حالات جدید ماده را آشکار میکنند
دانشمندان با استفاده از یک پردازنده کوانتومی برنامه‌پذیر گزارش نخستین تحقق تجربی یک فاز عجیب و خارج از تعادل ماده را منتشر کرده‌اند: یک حالت با نظم توپولوژیک فلوکهای. این کشف که روی یک دستگاه کیوبیت ابررسانا انجام شد، نشان می‌دهد رایانههای کوانتومی می‌توانند بهعنوان سکوی آزمایشگاهی برای بررسی فازهایی عمل کنند که در شرایط تعادل متعارف وجود ندارند. این آزمایش توسط پژوهشگرانی از دانشگاه صنعتی مونیخ (TUM)، دانشگاه پرینستون و Google Quantum AI انجام و در نشریه Nature منتشر شد.
این مقاله زمینه علمی فلوکه و فازهای خارج از تعادل را توضیح می‌دهد، روش آزمایشی را خلاصه میکند، یافته‌ها و پیامدهای کلیدی برای شبیه‌سازی کوانتومی و فناوری کوانتومی را برجسته می‌سازد و با دیدگاه کارشناسان نتیجه و چشم‌اندازهای آینده آن را بررسی میکند.
پیش زمینه علمی: تعادل در مقابل خارج از تعادل و معنی نظم فلوکهای
بیشتر فازهای شناخته‌شده ماده—جامد، مایع، گاز—در تعادل حرارتی درک میشوند، جایی که خصوصیات ماکروسکوپی با گذر زمان ثابت می‌مانند و با ترمودینامیک تعادلی توصیف میشوند. در مقابل، فازهای کوانتومی خارج از تعادل با دینامیک وابسته به زمان و الگوهایی تعریف میشوند که تنها وقتی سیستم تحت رانش یا به‌گونه‌ای از تعادل خارج نگه داشته شود پدیدار میشوند. این فازها می‌توانند رفتارها و نظم‌هایی داشته باشند که معادلی در شرایط تعادلی ندارند.
یکی از دسته‌های برجسته سیستمهای کوانتومیِ رانششده، سیستمهای فلوکه هستند که به افتخار ریاضیدان گاستون فلوکه نام‌گذاری شده‌اند. در فیزیک، سیستم فلوکه سیستمی است که به‌صورت دورهای رانش می‌شود: همیلتونین یا توالی کنترلی به‌طور تکراری در زمان اعمال می‌شود. رانش دورهای میتواند همیلتونین‌های مؤثر و نظم‌های نوظهوری ایجاد کند که در شرایط ساکن وجود ندارند. یک امکان چشمگیر نظم توپولوژیک فلوکهای است: الگوهای توپولوژیک که در تکامل زمانی استروبوسکوپیک سیستم ظاهر میشوند و نه از یک حالت زمینه ساکن. نظم توپولوژیک در ماده کوانتومی با ویژگیهای کلّی و مقاوم مرتبط است—اغلب مرتبط با مودهای کناری یا برانگیختگی‌های شبه ذره‌ای—که در برابر اختلالات محلی پایدارند. وقتی آن ویژگی‌ها توسط رانش دورهای حفظ شوند، پدیده‌های دینامیکی جدیدی پدیدار میشوند، از جمله جریان‌های کناری با جهت‌گیری معین و تبدیل عجیبِ ویژگیهای ذره‌ای در طول تکامل زمانی.
درک این فازهای خارج از تعادل و بسیار درهم‌تنیده هم از نظر نظری و هم از نظر محاسباتی چالش‌برانگیز است زیرا تکنیکهای عددی کلاسیک در گرفتن دینامیک کوانتومیِ بهشدت همبسته در تعداد زیادی درجه آزادی ناتوان‌اند. این محدودیت یکی از انگیزه‌ها برای توسعه پردازندههای کوانتومی بهعنوان شبیهسازهای تجربی ماده کوانتومی پیچیده است.
آزمایش و روش‌ها: یک رایانه کوانتومی بهعنوان آزمایشگاه کوانتومی
سخت‌افزار: 58 کیوبیت ابررسانا
تیم آزمایش خود را روی یک پردازنده کوانتومی ابررسانای 58 کیوبیتی که توسط Google Quantum AI فراهم شده بود اجرا کرد. کیوبیت‌های ابررسانا یکی از پلتفرم‌های پیشرو برای دستگاه‌های کوانتومی برنامه‌پذیر هستند؛ آن‌ها کنترل دقیقی روی تعاملات و عملیات محلی فراهم میکنند و امکان اجرای توالی‌های سفارشی برای تحقق رانش فلوکه را میسر می‌سازند.
پروتکل: رانش فلوکه، تصویرسازی کناره و تداخلسنجی
پژوهشگران یک رانش دورهای چندمرحلهای طراحی کردند که وقتی به‌طور مکرر روی آرایه کیوبیت‌ها اعمال شد، امضاهای مورد انتظار برای نظم توپولوژیک فلوکهای را تولید کرد. دو قابلیت تجربی اساسی بودند: (1) تصویرسازی مستقیم حرکت جهت‌دار در کناره—تشخیص فیزیکی چگونگی انتشار برانگیختگی‌ها در اطراف مرز شبکه کیوبیت—و (2) یک الگوریتم تداخلسنجی نوآورانه که برای آشکارسازی معیارهای توپولوژیک جهانی رمزگذاری‌شده در تکامل زمانی طراحی شده بود. این اندازه‌گیری‌ها به‌طور هم‌زمان تصاویر دینامیکی محلی (جریان‌های حاشیه‌ای با جهت‌گیری مشخص) و شواهد کلی (پیچش فازی و نشانگرهای توپولوژیک) را فراهم کردند که نشان می‌داد سیستم در فاز توپولوژیک فلوکهای پیش‌بینی‌شده قرار دارد.
تیم همچنین نوعی تبدیل ذره‌ای دینامیکی را مشاهده کرد، که یکی از شاخص‌های نظری پیش‌بینی‌شده برای این نوع نظم توپولوژیک خارج از تعادل است: برانگیختگی‌ها هنگام عبور از سیستم رانششده و چرخه دورهای، ماهیت خود را تغییر می‌دهند، سازگار با قیود توپولوژیکی‌ای که پروتکل فلوکه تحمیل میکند.
کشف‌های کلیدی و پیامدهای علمی
- نخستین تحقق تجربی: این آزمایش اولین مشاهده مستقیم یک حالت با نظم توپولوژیک فلوکهای در یک دستگاه کوانتومی کنترلشده و برنامه‌پذیر را تشکیل می‌دهد. پیش از این کار، این فاز نظریه‌ای پیشنهاد شده بود اما تأیید تجربی نداشت.
- دینامیک کناره و توپولوژی: با تصویرسازی حرکت کناره و به‌کارگیری پروب‌های تداخلسنجی، پژوهشگرها پدیده‌های دینامیکی محلی (جریان‌های مرزی جهت‌دار) را به ساختار توپولوژیک جهانی مرتبط کردند و به‌صورت تجربی نشان دادند چگونه رانش دورهای میتواند حرکت جهت‌دارِ مقاوم به‌وجود آورد که توسط توپولوژی سیستم محافظت می‌شود.
- پردازندههای کوانتومی بهعنوان ابزار کشف: نتایج بر رشد یک پارادایم تأکید میکند که در آن پردازندههای کوانتومی نه تنها بهعنوان ماشین‌های محاسباتی بلکه بهعنوان سکوی تجربی برای شبیه‌سازی کوانتومی عمل میکنند. آن‌ها امکان تهیه، کنترل و اندازهگیری حالتهای چندذرهای را فراهم میکنند که روی سخت‌افزار کلاسیک غیرقابل دسترسی است.
- پیامدهای گسترده‌تر: مشاهده فازهای توپولوژیک خارج از تعادل مسیرهای جدیدی در فیزیک بنیادی می‌گشاید—درک ما از نظم وابسته به زمان، درهم‌تنیدگی کوانتومی و حفاظت توپولوژیک را عمیق‌تر میکند. در پژوهش کاربردی، این پدیده‌ها ممکن است اصول طراحی برای پروتکلهای اطلاعات کوانتومی مقاوم، حافظههای کوانتومی محافظتشده توپولوژیک، یا مواد مهندسی‌شده با پاسخ‌های دینامیکی کنترلشده را الهام‌بخش شوند.
دیدگاه کارشناسان
دکتر کارن آلوزارز، فیزیک‌دان ماده چگال و مروّج علمی، اظهار کرد: "این آزمایش نمایش روشنی است که دستگاه‌های برنامه‌پذیر کوانتومی می‌توانند فازهای واقعاً جدید ماده را محقق کنند. ترکیب کنترل با بازده بالا و خوانش تداخلسنجی هدفمند همان چیزی بود که به تیم امکان داد از پیش‌بینی نظری به مشاهده تجربی برسد. این توانایی هم کشف‌های بنیادی و هم پیشرفت‌های عملی در فناوری‌های کوانتومی را تسریع خواهد کرد."
این نظر کارشناسی نشان می‌دهد چگونه نتیجه شکاف میان نظریه، آزمایش و مهندسی دستگاه را پر میکند و چرا توانایی بررسی مستقیم دینامیک روی یک پردازنده کوانتومی برای تحقیقات آینده اهمیت دارد.
فناوری‌های مرتبط و چشم‌اندازهای آینده
مقیاس‌پذیری و همدوسی: آرایه‌های بزرگ‌تر کیوبیت و بهبود زمان‌های همدوسی و دقت گیت‌ها امکان تهیه و مطالعه فازهای پیچیده‌تر خارج از تعادل را فراهم خواهد کرد. مقیاس‌پذیری برای آشکارسازی نظم‌های توپولوژیک با طول همبستگی بزرگ‌تر و کاهش اثرات اندازهٔ متناهی حیاتی است.
پیشرفت‌های الگوریتمی: الگوریتم تداخلسنجی معرفی‌شده در این کار نمونه‌ای از پروتکلهای اختصاصی کوانتومی است که جعبه‌ابزار اندازهگیری روی پردازندههای کوانتومی را گسترش می‌دهد. توسعه الگوریتمی آینده میتواند شامل توموگرافی با کاهش خطا، بنچمارک تصادفی متناسب با دینامیک چندذرهای و رویکردهای واریاسیونی برای تهیه حالتهای رانششده عجیب باشد.
کاربردها در اطلاعات کوانتومی: پدیده‌های محافظتشده توپولوژیک—خواه ساکن یا رانششده—برای اطلاعات کوانتومی جذابند زیرا می‌توانند مقاومت ذاتی در برابر انواع خاصی از نویز فراهم کنند. در حالی که محاسبات توپولوژیک کوانتومی عملی هدفی درازمدت باقی می‌ماند، استفاده از حفاظت مهندسی‌شده فلوکهای ممکن است رویکردهای میانی برای بهبود تاب‌آوری کیوبیت‌ها یا پیاده‌سازی گیت‌های محافظتشده ارائه دهد.
فرصت‌های بین‌رشته‌ای: مطالعه نظم توپولوژیک فلوکهای در تقاطع فیزیک ماده چگال، علم اطلاعات کوانتومی و طراحی مواد قرار دارد. آزمایش‌های شبیه‌سازی کوانتومی مانند این یکی مدل‌های نظری را اطلاع‌رسانی خواهند کرد، جست‌وجو برای مواد رانششده با خواص نو را راهنمایی میکنند و بر نانوساخت و استراتژی‌های کنترل دستگاه تأثیر خواهند گذاشت.
چشم‌انداز تجربی پایانی
همکاری TUM–Princeton–Google نشان می‌دهد که پردازندههای کوانتومی برنامه‌پذیر اکنون به اندازه‌ای بالغ شده‌اند که بتوانند فازهای خارج از تعادل ماده را که قبلاً مشاهده نشده بودند، شبیه‌سازی و آشکار کنند. با ترکیب کنترل دقیق روی یک آرایه ابررسانای 58 کیوبیتی و پروتکلهای اندازهگیری تداخلسنجی جدید، تیم پیش‌بینی‌های نظری درباره نظم توپولوژیک فلوکه را به واقعیت تجربی تبدیل کرد. این آزمایش راه را برای کاوش سیستماتیک ماده رانششده باز میکند، توسعهٔ تکنیکهای اندازهگیری بومی-کوانتومی را مطلع می‌سازد و پتانسیل دستگاه‌های کوانتومی را بهعنوان سکوی کشف—نه صرفاً ماشین محاسبات—برجسته میکند.
نتیجه‌گیری
این تحقق تجربی یک حالت با نظم توپولوژیک فلوکهای نقطه عطفی در شبیه‌سازی کوانتومی و فیزیک ماده چگال است. نشان می‌دهد رانش دورهای روی آرایهای از کیوبیت‌های ابررسانا برنامه‌پذیر میتواند دینامیک کناره‌ای مقاوم با جهت‌گیری مشخص و نشانه‌های توپولوژیک کلی تولید کند که پیشتر تنها در نظریه مطرح بودند. فراتر از اهمیت بنیادینش، این کار نشانه‌ای از تغییری است در روش مطالعهٔ سیستمهای کوانتومی پیچیده: پردازندههای کوانتومی بهعنوان آزمایشگاه‌های چندمنظوره برای بررسی حالات خارج از تعادل، توسعه الگوریتم‌های جدید کوانتومی و احتمالاً مهندسی فناوری‌های کوانتومی محافظتشده توپولوژیک پدیدار میشوند. این نتیجه درک ما را از فازهای ممکن ماده هنگام افزودن کنترل وابسته به زمان به جعبه‌ابزار کوانتومی گسترش می‌دهد و مسیرهای متعددی برای پژوهش آینده در مرز اطلاعات کوانتومی، علم مواد و فیزیک بنیادی می‌گشاید.
منبع: scitechdaily
نظرات