رایانه کوانتومی گوگل مرز‌های ماده را شکست
به گزارش تهران بهشت، پژوهشگران در مطالعه‌ای تازه که در نشریه معتبر Nature منتشر شده با استفاده از رایانه کوانتومی گوگل موفق شدند نوعی فاز ماده را مشاهده کنند که تا پیش از این تنها در نظریه‌ها مطرح بود. این دستاورد نه‌تنها نشان‌دهنده توانایی خارق‌العاده سامانه‌های کوانتومی در بازآفرینی پدیده‌های پیچیده طبیعی است، بلکه مسیر تازه‌ای را برای مطالعه اشکال ناشناخته ماده هموار می‌کند.
کشف فاز‌های ناپایدار و متفاوت از ماده
در حالت معمول فاز‌های ماده همان حالت‌های شناخته‌شده‌ای هستند که مواد می‌توانند به خود بگیرند، مانند آب در حالت مایع یا یخ در حالت جامد. این فاز‌ها در شرایط تعادلی شکل می‌گیرند؛ یعنی زمانی که سیستم در طول زمان پایدار باقی می‌ماند. اما طبیعت محدود به شرایط تعادلی نیست. دانشمندان دریافته‌اند که در شرایط خاص وقتی سامانه‌ای از حالت تعادل خارج شود، می‌تواند فاز‌هایی کاملاً جدید از ماده را به نمایش بگذارد؛ فاز‌هایی که در دنیای معمولی وجود ندارند.
در پژوهش اخیر تیمی مشترک از دانشگاه فنی مونیخ (TUM)، دانشگاه پرینستون و بخش هوش کوانتومی گوگل (Google Quantum AI)، موفق به ساخت و مشاهده یکی از این فاز‌های ناپایدار شدند. این فاز که حالت توپولوژیکی فلوکه (Floquet topologically ordered state) نام دارد، پیش‌تر صرفا در مدل‌های نظری فیزیک مطرح شده بود و هیچ‌گاه در دنیای واقعی مشاهده نشده بود.
سیستم‌های فلوکه و پدیده‌های فراتر از ماده معمولی
در فاز‌های کوانتومی خارج از تعادل، رفتار سیستم‌ها وابسته به زمان و پویاست؛ یعنی برخلاف فاز‌های تعادلی که بر اساس ترمودینامیک کلاسیک توضیح داده می‌شوند، این فاز‌ها دائماً در حال تغییر هستند. یکی از جالب‌ترین نمونه‌های این فاز‌ها در سیستم‌های فلوکه رخ می‌دهد سامانه‌های کوانتومی که در معرض تحریکات متناوب بیرونی قرار دارند.
این تحریکات دوره‌ای می‌تواند الگو‌های جدیدی از نظم را در ماده ایجاد کند؛ الگو‌هایی که در حالت تعادل امکان‌پذیر نیستند. به بیان دیگر وقتی ماده به‌طور ریتمیک از حالت طبیعی خود خارج می‌شود، رفتار‌هایی از خود نشان می‌دهد که در هیچ‌یک از فاز‌های کلاسیک مانند جامد، مایع یا گاز، دیده نمی‌شود.
تحقق آزمایشی فاز توپولوژیکی فلوکه
پژوهشگران در این پروژه از یک پردازنده ابررسانای ۵۸ کیوبیتی استفاده کردند و توانستند به‌طور تجربی حالت توپولوژیکی فلوکه را ایجاد کنند. آنها برای نخستین بار حرکات جهت‌دار لبه‌ای (directed edge motions) را که ویژگی شاخص این فاز است، مشاهده کردند.
به‌منظور تحلیل ویژگی‌های توپولوژیکی این حالت، تیم تحقیقاتی الگوریتم تداخلی (interferometric) جدیدی طراحی کرد که امکان بررسی دقیق ساختار‌های کوانتومی پیچیده را فراهم می‌کرد. نتایج نشان داد که در این فاز، ذرات کوانتومی می‌توانند به‌صورت پویا به یکدیگر تبدیل شوند پدیده‌ای که فیزیک‌دانان از آن با عنوان تبدیل ذرات عجیب (exotic particle transmutation) یاد می‌کنند. این مشاهده نشانه‌ای قاطع از تحقق یک فاز کوانتومی پیش‌بینی‌شده، اما ناشناخته بود.
رایانه کوانتومی؛ آزمایشگاهی برای کشف ماده‌های جدید
ملیسا ویل (Melissa Will)، دانشجوی دکترای فیزیک در دانشگاه فنی مونیخ و نویسنده اصلی مقاله، درباره اهمیت این پژوهش گفت: فاز‌های کوانتومی خارج از تعادل به‌دلیل درهم‌تنیدگی بسیار بالا به‌سختی توسط رایانه‌های کلاسیک شبیه‌سازی می‌شوند. اما نتایج ما نشان می‌دهد که پردازنده‌های کوانتومی، فراتر از ابزار‌های محاسباتی، به آزمایشگاه‌هایی قدرتمند برای کشف و مطالعه حالت‌های کاملا جدید ماده تبدیل شده‌اند.
آغاز عصر تازه‌ای از شبیه‌سازی کوانتومی
این پژوهش گامی بزرگ در جهت استفاده از رایانه‌های کوانتومی به‌عنوان ابزار‌های علمی برای کشف پدیده‌های بنیادی فیزیکی به‌شمار می‌رود. بر اساس گفته پژوهشگران از این پس رایانه‌های کوانتومی می‌توانند به بستری تجربی برای بررسی قلمروی وسیع و ناشناخته‌ی ماده‌های خارج از تعادل تبدیل شوند حوزه‌ای که تاکنون از دسترس آزمایش‌های سنتی خارج بوده است.
دستاورد جدید نه‌تنها درک ما از رفتار بنیادی جهان را گسترش می‌دهد، بلکه می‌تواند به طراحی فناوری‌های کوانتومی نسل آینده از جمله حسگرها، مواد هوشمند و سامانه‌های پردازش پیشرفته منجر شود.
انتهای پیام/
ارسال نظر