شلیک با لیزر به قلب اتم ها

به گزارش خبرگزاری سیناپرس، فیزیکدانان با شلیک پالس لیزر فیبوناچی به اتم های داخل یک کامپیوتر کوانتومی، فاز کاملاً جدید و عجیبی از ماده ایجاد کرده اند که به گونه ای رفتار می کند که گویی دو بعد زمان دارد.

فاز جدید ماده که با استفاده از لیزر برای تکان دادن ریتمیک رشته‌ای از 10 یون ایتربیوم ایجاد شده است، دانشمندان را قادر می‌سازد تا اطلاعات را به روشی بسیار محافظت‌شده در برابر خطا ذخیره کنند و در نتیجه راه را برای رایانه‌های کوانتومی باز کند که می‌توانند داده‌ها را برای مدت طولانی نگه دارند. محققان یافته های خود را در مقاله ای که در 20 ژوئیه در مجله Nature منتشر شد، تشریح کردند.

فیلیپ دومیترسکو، نویسنده اصلی، محقق مرکز فیزیک کوانتومی محاسباتی موسسه فلاتیرون در شهر نیویورک، گفت: گنجاندن یک بعد زمانی اضافی، روشی کاملاً متفاوت برای تفکر در مورد سطوح مختلف ماده است. من بیش از پنج سال است که روی این ایده‌های تئوری کار می‌کنم، و دیدن این ایده‌ها در آزمایش‌ها بسیار هیجان‌انگیز است.

فیزیکدانان طی این تحقیقات به دنبال ایجاد فازی با بعد زمان اضافی نظری، و همچنین به دنبال روشی برای ذخیره سازی بهتر داده های کوانتومی نبودند. در عوض، آنها علاقه مند به ایجاد مرحله جدیدی از ماده بودند یعنی شکل جدیدی که ماده می تواند در آن حالت وجود داشته باشد، فراتر از جامد، مایع، گاز و پلاسما.

آنها تصمیم گرفتند فاز جدید را در پردازنده کوانتومی H1 شرکت کوانتومی Quantinuum بسازند که از 10 یون ایتربیوم در یک محفظه خلاء تشکیل شده است که دقیقاً توسط لیزر در دستگاهی به نام تله یونی کنترل می شود.

کامپیوترهای معمولی از بیت ها یا 0 ها و 1 ها برای تشکیل پایه های همه محاسبات استفاده می کنند. کامپیوترهای کوانتومی برای استفاده از کیوبیت ها طراحی شده اند که می توانند در حالت 0 یا 1 نیز وجود داشته باشند. به لطف قوانین عجیب و غریب دنیای کوانتومی، کیوبیت ها می توانند در ترکیب یا برهم نهی از هر دو حالت 0 و 1 تا لحظه اندازه گیری وجود داشته باشند، که بر اساس آن به طور تصادفی به 0 یا 1 تبدیل می شوند.

این رفتار عجیب کلید قدرت محاسبات کوانتومی است، زیرا به کیوبیت ها اجازه می دهد از طریق درهم تنیدگی کوانتومی به یکدیگر متصل شوند، فرآیندی که آلبرت انیشتین آن را "عمل شبح وار در فاصله" نامید. درهم تنیدگی، دو یا چند کیوبیت را به یکدیگر جفت می کند و ویژگی های آنها را به هم متصل می کند به طوری که هر تغییری در یک ذره باعث تغییر در ذره دیگر می شود، حتی اگر با فواصل زیادی از هم دور باشند. این به رایانه‌های کوانتومی این توانایی را می‌دهد که چندین محاسبات را به طور همزمان انجام دهند و به طور تصاعدی قدرت پردازش آن‌ها را نسبت به دستگاه‌های کلاسیک افزایش دهند.

اما توسعه رایانه‌های کوانتومی با یک نقص بزرگ مواجه است: کیوبیت‌ها فقط با یکدیگر تعامل نمی‌کنند و با دیگر اجزا نیزدرگیر می‌شوند. از آنجایی که آنها نمی توانند کاملاً از محیط خارج از کامپیوتر کوانتومی جدا شوند، با محیط بیرون نیز تعامل دارند و در نتیجه باعث می شوند که ویژگی های کوانتومی خود و اطلاعاتی که حمل می کنند را در فرآیندی به نام decoherence از دست بدهند.

دومیترسکو می‌گوید: حتی اگر تمام اتم‌ها را تحت کنترل شدید نگه دارید، آنها می‌توانند اطلاعات کوانتومی خود را با تماس با محیط خود، گرم شدن یا تعامل با چیزهایی که شما برنامه‌ریزی نکرده‌اید از دست بدهند.

برای دور زدن این اثرات ناهماهنگی مزاحم و ایجاد یک فاز جدید و پایدار، فیزیکدانان به مجموعه خاصی از فازها به نام فازهای توپولوژیکی نگاه کردند. درهم تنیدگی کوانتومی نه تنها دستگاه‌های کوانتومی را قادر می‌سازد تا اطلاعات را در موقعیت‌های منفرد و استاتیک کیوبیت‌ها رمزگذاری کنند، بلکه آن‌ها را در حرکات دینامیکی و برهم‌کنش‌های کل ماده، در شکل یا توپولوژی، حالت‌های درهم‌تنیده ماده، در هم ببافند. این یک کیوبیت توپولوژیکی ایجاد می کند که اطلاعات را به شکلی که توسط چندین قسمت تشکیل شده است به جای یک قسمت به تنهایی رمزگذاری می کند و باعث می شود این فاز بسیار کمتر اطلاعات خود را از دست بدهد.

یکی از ویژگی‌های بارز حرکت از یک فاز به فاز دیگر، شکستن تقارن‌های فیزیکی است – این ایده که قوانین فیزیک برای یک جسم در هر نقطه از زمان یا مکان یکسان است. به عنوان مثال در یک مایع، مولکول های موجود در آب از قوانین فیزیکی یکسانی در هر نقطه از فضا و در هر جهت پیروی می کنند. اما اگر آب را به اندازه‌ای خنک کنید که به یخ تبدیل شود، مولکول‌های آن نقاط منظمی را در امتداد یک ساختار بلوری یا شبکه‌ای انتخاب می‌کنند تا خود را در عرض هم مرتب کنند. ناگهان مولکول های آب نقاطی را در فضا ترجیح می دهند تا آنها را اشغال کنند و بقیه نقاط را خالی می گذارند. در این حالت تقارن فضایی آب به طور خود به خود شکسته شده است.

ایجاد یک فاز توپولوژیکی جدید در داخل یک کامپیوتر کوانتومی نیز به شکست تقارن متکی است، اما با این فاز جدید، تقارن در فضا شکسته نمی‌شود، بلکه در زمان شکسته می‌شود.

فیزیکدان‌ها می‌خواستند با دادن تکانه‌های دوره‌ای به هر یون در زنجیره با لیزر، تقارن زمانی پیوسته یون‌ها را در حالت سکون بشکنند و تقارن زمانی خود را، جایی که کیوبیت‌ها در فواصل زمانی معینی یکسان می‌مانند، تحمیل کنند که یک فاز توپولوژیکی ریتمیک در سراسر مواد این تقارن را ایجاد کند.

اما آزمایش شکست خورد. پالس‌های لیزری منظم به جای القای فاز توپولوژیکی که در برابر اثرات ناهمدوسی مصون بود، نویز خارج از سیستم را تقویت کرد و کمتر از 1.5 ثانیه پس از روشن شدن آن را از بین برد.

پس از بررسی مجدد آزمایش، محققان دریافتند که برای ایجاد یک فاز توپولوژیکی قوی‌تر، باید بیش از یک بار تقارن را به رشته یونی گره بزنند تا احتمال به هم خوردن سیستم کاهش یابد. برای انجام این کار، آنها به یافتن یک الگوی پالسی که به سادگی و به طور منظم تکرار نمی شد، اما با این وجود نوعی تقارن بالاتر را در طول زمان نشان می داد، را در دستور کار قرار دادند.

این آنها را به دنباله فیبوناچی هدایت کرد که در آن عدد بعدی دنباله، با جمع دو عدد قبلی ایجاد می شود. در حالی که یک پالس لیزر دوره ای ساده ممکن است فقط بین دو منبع لیزر (A، B، A، B، A، B و غیره) متناوب شود، قطار پالس جدید آنها در عوض با ترکیب دو پالس قبلی (A، AB، ABA، ABAAB، ABABABABA، و غیره) ایجاد می شد.

این ضربان فیبوناچی یک تقارن زمانی ایجاد کرد که درست مانند یک شبه بلور در فضا، بدون تکرار مرتب شد. و درست مانند یک شبه کریستال، پالس های فیبوناچی نیز یک الگوی ابعادی بالاتر را روی یک سطح با ابعاد پایین تر می کوبند. در مورد یک شبه کریستال فضایی مانند کاشی کاری پنروز، برشی از یک شبکه پنج بعدی بر روی یک سطح دو بعدی قرار می گیرد. وقتی به الگوی پالس فیبوناچی نگاه می کنیم، می بینیم که دو تقارن زمانی نظری به یک تقارن فیزیکی منفرد تبدیل می شوند.

محققان نوشتند: این سیستم اساساً از یک بعد زمان اضافی که وجود ندارد، یک تقارن پاداش دریافت می کند. این سیستم به عنوان ماده ای ظاهر می شود که در بعد بالاتری با دو بعد زمان وجود دارد، حتی این ممکن است در واقعیت از نظر فیزیکی غیرممکن باشد.

هنگامی که تیم آن را آزمایش کرد، پالس فیبوناچی شبه تناوبی جدید یک فاز توپوگرافی ایجاد کرد که سیستم را از از دست دادن داده ها در کل 5.5 ثانیه آزمایش محافظت می کرد. در واقع، آنها مرحله ای را ایجاد کرده بودند که برای مدت طولانی تری نسبت به سایرین در برابر عدم انسجام مصون بود.

دومیترسکو گفت: با این توالی شبه تناوبی، یک تکامل پیچیده وجود دارد که تمام خطاهایی را که در لبه زندگی می کنند، از بین می برد. به همین دلیل، لبه از نظر مکانیکی کوانتومی بسیار بسیار بیشتر از آنچه انتظار دارید، منسجم باقی می‌ماند.

اگرچه فیزیکدانان به هدف خود دست یافتند، اما یک مانع برای تبدیل فاز آنها به ابزاری مفید برای برنامه نویسان کوانتومی باقی مانده است: ادغام آن با بخش محاسباتی محاسبات کوانتومی به طوری که بتوان آن را با محاسبات وارد کرد.

دومیترسکو گفت: ما راه استفاده از این کاربرد مستقیم و وسوسه‌انگیز را داریم، اما باید راهی پیدا کنیم تا آن را به محاسبات متصل کنیم. این یک پرونده باز است که ما روی آن کار می کنیم.

منبع: livescience.com

مترجم: کیانوش کرمی