ذره‌ای برای تحت تاثیر قرار گرفتن توسط یک میدان مغناطیسی نیازی به عبور از آن ندارد. این ویژگی شگفت‌انگیز فیزیک کوانتومی اکنون توسط محققان دانشگاه آکسفورد بازسازی شده است که نشان دادند چگونه یک نفوذ مغناطیسی نامرئی می‌تواند حرکت یک ذره شبیه‌سازی‌شده را به طور کامل متوقف کند.
این آزمایش پدیده‌ای به نام اثر آهارونوف-بوم را بازتولید کرد، که در آن یک ذره باردار در حال حرکت در اطراف منطقه‌ای حاوی شار مغناطیسی تغییر قابل اندازه‌گیری در حالت کوانتومی خود را تجربه می‌کند، حتی اگر مسیر آن هرگز از داخل میدان مغناطیسی عبور نکند.
تیم آکسفورد این کار را با استفاده از یک سیستم کوانتومی انجام داد که ترکیبی از کیوبیت‌ها، واحدهای اساسی اطلاعات کوانتومی، و نوسانگرهای کوانتومی، که نشان‌دهنده حرکت ارتعاشی هستند، بود. یافته‌های آنها که در Nature Physics منتشر شده است، نشان می‌دهد که چگونه این ترکیب می‌تواند به دانشمندان در بررسی تعاملات اساسی بین ماده و میدان‌هایی که شبیه‌سازی آنها با رایانه‌های معمولی به طور فزاینده‌ای دشوار است، کمک کند.
یک اثر کوانتومی عجیب که در سال 1959 پیش‌بینی شده بود
در فیزیک روزمره، یک ذره باردار به میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی که با آن مواجه می‌شود پاسخ می‌دهد. با این حال، مکانیک کوانتومی نشان می‌دهد که ذرات می‌توانند به روش‌هایی رفتار کنند که هیچ معادل ساده‌ای در تجربه معمولی ما ندارند.
در سال 1959، فیزیکدانان یاکیر آهارونوف و دیوید بوم پیش‌بینی کردند که یک ذره باردار می‌تواند تحت تأثیر شار مغناطیسی قرار گیرد، حتی اگر تماماً خارج از منطقه حاوی میدان مغناطیسی حرکت کند. به جای تجربه یک نیروی مغناطیسی معمولی در طول مسیر خود، ذره یک تغییر در فاز کوانتومی خود را تجربه می‌کند.
فاز کوانتومی جنبه‌ای از رفتار موجی ذره را توصیف می‌کند که بر نحوه تداخل مسیرهای مختلف با یکدیگر تأثیر می‌گذارد. اگرچه فاز به طور مستقیم قابل مشاهده نیست، اما تفاوت در فاز می‌تواند اثرات قابل اندازه‌گیری ایجاد کند.
این پیش‌بینی به عنوان اثر آهارونوف-بوم شناخته شد و در نهایت در آزمایش‌هایی شامل الکترون‌های واقعی تأیید شد. این یکی از واضح‌ترین نشانه‌هایی است که دنیای کوانتومی بر اساس قوانینی عمل می‌کند که فراتر از قوانین آشنای فیزیک کلاسیک است.
محققان اکنون در حال بررسی نحوه رفتار این پدیده در سیستم‌های نظری پیچیده‌تری به نام نظریه‌های میدان شبکه هستند.
این نظریه‌ها نحوه تعامل ماده با میدان‌های مرتبط با نیروهای اساسی را توصیف می‌کنند. آنها فضا را به عنوان یک شبکه نشان می‌دهند، با ماده واقع در نقاط جداگانه و میدان‌های مرتبط با اتصالات بین آنها. چنین مدل‌هایی به ویژه در فیزیک ذرات و فیزیک پرانرژی مهم هستند، جایی که دانشمندان ذرات و تعاملات اساسی که جهان را تشکیل می‌دهند، مطالعه می‌کنند.
چالش این است که ریاضیات با پیچیده‌تر شدن این سیستم‌ها، به طور فزاینده‌ای دشوار می‌شود. حتی رایانه‌های قدرتمند معمولی نیز ممکن است برای محاسبه نحوه تکامل همه اجزای تعاملی با مشکل مواجه شوند.
رایانه‌های کوانتومی رویکردی متفاوت ارائه می‌دهند. به جای تلاش برای محاسبه هر جنبه یک سیستم کوانتومی با استفاده از روش‌های محاسباتی کلاسیک، دانشمندان می‌توانند یک سیستم کوانتومی دیگر را بسازند که همان قوانین اساسی را دنبال می‌کند. سپس آنها می‌توانند مستقیماً رفتار آن را مشاهده کنند، رویکردی به نام شبیه‌سازی کوانتومی.
چگونه دانشمندان آزمایش کوانتومی را ساختند
پروژه آکسفورد در سال 2022 آغاز شد، زمانی که دکتر سباستین سانر، دکتر اونا بازوان و همکارانشان شروع به توسعه راهی برای شبیه‌سازی نظریه‌های میدان شبکه با استفاده از یک سیستم کوانتومی ترکیبی کردند. آنها با دکتر اله‌خاندرو برمودز از Instituto de Física Teórica در مادرید همکاری کردند.
طراحی آزمایشی آنها بر دو جزء کوانتومی متفاوت متکی بود که عملکردهای جداگانه‌ای را انجام می‌دادند.
اولین مورد از کیوبیت‌ها تشکیل شده بود که در حالت‌های داخلی یون‌های به دام افتاده، اتم‌های باردار نگه داشته شده در جای خود با استفاده از میدان‌های الکترومغناطیسی، رمزگذاری شده بودند. این کیوبیت‌ها میدان‌های را در مدل نظری نشان می‌دادند.
مؤلفه دوم از نوسانگرهای کوانتومی استفاده می‌کرد که با ارتعاشات همان یون‌های به دام افتاده ایجاد می‌شد. این نوسانگرها ماده را نشان می‌دادند.
با ترکیب این دو، محققان یک حلقه ساده ساختند که به عنوان یک بلوک سازنده اساسی یک نظریه میدان شبکه عمل می‌کرد. دو نوسانگر ماده را در دو مکان متفاوت نشان می‌دادند، در حالی که دو کیوبیت میدان‌های اتصال این مکان‌ها را نشان می‌دادند.
اگرچه این تنظیمات کوچک بود، اما برای بازتولید یک تعامل مهم بین ماده و شار مغناطیسی کافی بود.
درهم‌تنیدگی کوانتومی یک راه حل شگفت‌انگیز ایجاد می‌کند
محققان سپس دو کیوبیت را در یک حالت درهم‌تنیده کوانتومی قرار دادند. درهم‌تنیدگی پدیده‌ای است که در آن سیستم‌های کوانتومی به روش‌هایی به هم مرتبط می‌شوند که نمی‌توان آنها را به طور کامل با فیزیک کلاسیک توضیح داد.
در نظریه میدان شبکه شبیه‌سازی‌شده تیم، این حالت درهم‌تنیده شار مغناطیسی را که از مرکز حلقه عبور می‌کرد، نشان می‌داد.
در ابتدا، محققان قصد داشتند شار مغناطیسی را به عنوان یک شرط پس‌زمینه ثابت معرفی کنند. با این حال، ایجاد تعامل لازم به قابلیت‌هایی نیاز داشت که سخت‌افزار کوانتومی آنها فاقد آن بود.
رمزگذاری مستقیم شار در کیوبیت‌ها یک جایگزین عملی ارائه می‌داد. مهمتر از آن، این امکان را فراهم کرد که شار مغناطیسی به بخشی از سیستم کوانتومی در حال تکامل تبدیل شود، نه اینکه یک تأثیر خارجی ثابت باقی بماند.
دکتر سانر می‌گوید: «برای ما، گام هیجان‌انگیز رمزگذاری شار مغناطیسی در یک میدان گنجینه بود که خود پویا بود. به جای اینکه ماده در یک پس‌زمینه ثابت تکامل یابد، ماده و میدان گنجینه هر دو بخشی از پویایی کوانتومی یکسانی می‌شوند.
این رویکرد فنی در نهایت به محققان اجازه داد تا نسخه جالب‌تری از پدیده را بررسی کنند، که در آن ماده و میدان می‌توانند هر دو در پویایی کوانتومی با هم شرکت کنند.
یک اثر کوانتومی که حرکت ذره را متوقف می‌کند
با حلقه شبیه‌سازی‌شده خود در جای خود، دانشمندان بررسی کردند که چگونه یک ذره ماده از طریق فرآیندی به نام تونل‌زنی کوانتومی بین مکان‌ها حرکت می‌کند.
تونل‌زنی کوانتومی به ذرات اجازه می‌دهد تا به روش‌هایی که در قوانین کلاسیک معمولی امکان‌پذیر نیست، بین حالت‌ها حرکت کنند.
هنگامی که محققان شبیه‌سازی خود را بدون شار مغناطیسی اجرا کردند، ذره می‌توانست آزادانه در اطراف حلقه تونل بزند.
معرفی شار شبیه‌سازی‌شده یک نتیجه‌گیری کاملاً متفاوت ایجاد کرد.
ذره دو مسیر ممکن برای دور زدن حلقه داشت، اما شار مغناطیسی فازهای کوانتومی نسبی آنها را تغییر داد. در نتیجه، دو مسیر به طور مخرب با یکدیگر تداخل داشتند، به این معنی که مشارکت کوانتومی آنها یکدیگر را خنثی می‌کرد.
این تداخل تونل‌زنی را به طور کامل سرکوب کرد و ذره شبیه‌سازی‌شده را در حالت اولیه خود منجمد کرد.
این نتیجه نشان‌دهنده اثر آهارونوف-بوم در یک نظریه میدان شبکه حاوی یک میدان پویا بود. به جای اینکه صرفاً رفتار آشنا یک ذره را که در اطراف یک نفوذ مغناطیسی ثابت حرکت می‌کند، بازتولید کند، آزمایش نشان داد که چگونه این پدیده می‌تواند زمانی رخ دهد که هم ماده و هم میدان توسط اجزای کوانتومی تعاملی نشان داده شوند.
ابزاری جدید برای کاوش در فیزیک اساسی
یافته‌های آکسفورد در کنار یک مطالعه مرتبط توسط محققان دانشگاه مریلند به رهبری پروفسور نوربرت لینکه منتشر شد.
تیم مریلند نیز از یک سیستم کوانتومی ترکیبی استفاده کرد، اما آزمایش آنها بر شبیه‌سازی پتانسیل یوکاوا، توصیف ریاضی یک تعامل مرتبط با فیزیک هسته‌ای و ذرات، متمرکز بود.
اگرچه این دو گروه تحقیقاتی روش‌های خود را به طور مستقل توسعه دادند، اما بعداً هماهنگ کردند تا مطالعات خود را به Nature Physics ارسال کنند.
با هم، این آزمایش‌ها نشان می‌دهند که چگونه رایانه‌های کوانتومی ترکیبی می‌توانند به ابزارهای ارزشمندی برای بررسی تعاملات اساسی که شبیه‌سازی آنها با استفاده از رایانه‌های کلاسیک دشوار است، تبدیل شوند.
با ترکیب انواع مختلف اجزای کوانتومی، محققان می‌توانند سیستم‌هایی بسازند که در آن ماده و میدان‌ها به روش‌هایی نشان داده می‌شوند که بیشتر به فیزیکی که می‌خواهند مطالعه کنند، شباهت دارند.
آزمایش آکسفورد مثالی از این پتانسیل است. پدیده‌ای که برای اولین بار در سال 1959 پیش‌بینی شد و بعداً با الکترون‌ها تأیید شد، اکنون در یک شبیه‌ساز کوانتومی که در آن خود میدان در پویایی شرکت می‌کند، بازسازی شده است و به دانشمندان راه دیگری برای کاوش در قوانین غیرمعمول دنیای کوانتومی ارائه می‌دهد.
منبع: دانشگاه آکسفورد