يكشف Google Quantum AI عن الحالات المقيدة للفوتونات التي تظل قوية حتى في خضم الفوضى
باستخدام معالج كمي، جعل الباحثون فوتونات الميكروويف لزجة بشكل غير معهود.
بعد إقناعهم بالتكتل معًا في حالات مرتبطة، اكتشفوا أن مجموعات الفوتونات هذه نجت في نظام كان من المتوقع أن تتحلل فيه إلى حالتها المعتادة، الانفرادية.
نظرًا لأن الاكتشاف تم إجراؤه لأول مرة على معالج كمي، فإنه يشير إلى الدور المتزايد الذي تلعبه هذه المنصات في دراسة ديناميكيات الكم.
الفوتونات – الحزم الكمومية للإشعاع الكهرومغناطيسي مثل الضوء أو الموجات الدقيقة – عادة لا تتفاعل مع بعضها البعض. على سبيل المثال، تمر شعاعتا مصباح يدوي متقاطعتان عبر بعضهما البعض دون إزعاج.
ومع ذلك، يمكن جعل فوتونات الميكروويف تتفاعل في مجموعة من الكيوبتات فائقة التوصيل.
يصف الباحثون في Google Quantum AI كيف هندسوا هذا الموقف غير العادي في “تشكيل حالات ملزمة قوية للفوتونات المتفاعلة”، والتي نُشرت في 7 ديسمبر في مجلة Nature .
قاموا بفحص حلقة من 24 كيوبت فائقة التوصيل يمكنها استضافة فوتونات الميكروويف.
من خلال تطبيق بوابات كمومية على أزواج من الكيوبتات المجاورة، يمكن للفوتونات أن تنتقل عن طريق التنقل بين المواقع المجاورة والتفاعل مع الفوتونات القريبة.
أثرت التفاعلات بين الفوتونات على ما يسمى بـ “المرحلة”. المرحلة تتعقب تذبذب الدالة الموجية للفوتون.
عندما لا تتفاعل الفوتونات، يكون تراكم طورها غير مثير للاهتمام. مثل الكورال الذي تم تدريبه جيدًا، كلهم متزامنون مع بعضهم البعض.
في هذه الحالة، يمكن للفوتون الذي كان في البداية بجوار فوتون آخر أن يقفز بعيدًا عن جاره دون أن يخرج عن المزامنة.
تمامًا كما يساهم كل شخص في الجوقة في الأغنية، فإن كل مسار ممكن يمكن أن يسلكه الفوتون يساهم في دالة الموجة الإجمالية للفوتون.
ستتطور مجموعة من الفوتونات المتجمعة في البداية على مواقع مجاورة إلى تراكب لجميع المسارات الممكنة التي قد يتخذها كل فوتون.
عندما تتفاعل الفوتونات مع جيرانها، لم يعد هذا هو الحال. إذا قفز أحد الفوتون بعيدًا عن جاره، فإن معدل تراكم الطور الخاص به يتغير، ويصبح غير متزامن مع جيرانه.
تتداخل جميع المسارات التي تنقسم فيها الفوتونات، مما يؤدي إلى تداخل مدمر.
سيكون الأمر كما لو أن كل عضو من أعضاء الكورال يغني بوتيرته الخاصة – تغسل الأغنية نفسها، ويصبح من المستحيل تمييزها من خلال ضجيج المطربين الفرديين.
من بين جميع مسارات التكوين الممكنة، فإن السيناريو الوحيد الممكن الذي نجا هو التكوين الذي تظل فيه جميع الفوتونات متجمعة معًا في حالة مقيدة.
هذا هو السبب في أن التفاعل يمكن أن يعزز ويؤدي إلى تكوين حالة مرتبطة: عن طريق قمع جميع الاحتمالات الأخرى التي لا ترتبط فيها الفوتونات ببعضها البعض.
لإثبات أن الحالات المقيدة تصرفت بالفعل كما فعلت الجسيمات، بكميات محددة جيدًا مثل الطاقة والزخم، طور الباحثون تقنيات جديدة لقياس كيفية تغير طاقة الجسيمات مع الزخم.
من خلال تحليل كيفية اختلاف الارتباطات بين الفوتونات باختلاف الزمان والمكان، تمكنوا من إعادة بناء ما يسمى بـ “علاقة تشتت الطاقة والزخم”، مما يؤكد الطبيعة الشبيهة بالجسيمات للحالات المرتبطة.
لم يكن وجود الدول المقيدة في حد ذاته أمرًا جديدًا – في نظام يسمى “النظام القابل للتكامل”، حيث تكون الديناميكيات أقل تعقيدًا بكثير، وقد تم بالفعل التنبؤ بالحالات المقيدة ومراقبتها قبل عشر سنوات.
ولكن ما وراء التكامل، تسود الفوضى. قبل هذه التجربة، كان من المفترض بشكل معقول أن الدول المقيدة ستنهار في خضم الفوضى.
لاختبار هذا، دفع الباحثون إلى ما بعد التكامل عن طريق تعديل هندسة الحلقة البسيطة إلى شبكة أكثر تعقيدًا على شكل تروس من الكيوبتات المتصلة. لقد فوجئوا عندما اكتشفوا أن الدول المقيدة استمرت في النظام الفوضوي.
لا يزال الفريق في Google Quantum AI غير متأكد من المكان الذي تستمد فيه هذه الحالات المقيدة مرونتها غير المتوقعة، ولكن يمكن أن يكون لها علاقة بظاهرة تسمى “prethermalization”، حيث يمكن لمقاييس الطاقة غير المتوافقة في النظام أن تمنع النظام من الوصول إلى التوازن الحراري بسرعة كما لو كان الأمر بخلاف ذلك.
يتوقع الباحثون أن دراسة هذا النظام ستوفر رؤى جديدة لديناميات الكم للعديد من الأجسام وتلهم المزيد من الاكتشافات الفيزيائية الأساسية باستخدام المعالجات الكمومية.
المصدر: scitechdaily
شاهد ايضا:
