شبیهسازی تولد ناگهانی ماده با یک دستگاه کوانتومی
پژوهشگران با استفاده از یک شبیهساز کوانتومی مبتنی بر یونهای بهدامافتاده پدیدهای مشابه شکست رشتهای را بازسازی و پویاییهای مرتبط با شکلگیری جفتهای ذره و پادذره را مشاهده کردند، فرایندی که به شرایط بسیار پرانرژی مانند برخوردهای ذرات در شتابدهندهها یا لحظات پس از مهبانگ نسبت داده میشود.
به گزارش گروه ترجمه خبرگزاری برنا به نقل از فیزیکس او آر جی، پژوهشگران مرکز کوانتومی دوک در همکاری با چند مرکز علمی بینالمللی با استفاده از یک رایانه کوانتومی مبتنی بر یونهای بهدامافتاده توانستند پویاییهای مرتبط با شکست رشتهای (String Breaking) را در یک محیط آزمایشگاهی شبیهسازی کنند. این پدیده در فیزیک ذرات به فرایندی مربوط میشود که در آن انرژی ذخیرهشده در برهمکنش میان اجزای بنیادی ماده به اندازهای افزایش مییابد که با گسستن این پیوند ذرات جدید شکل میگیرند.
نتایج این پژوهش در مجله علمی Nature Physics منتشر شده است و نشان میدهد شبیهسازهای کوانتومی میتوانند برای بررسی پرسشهای بنیادی درباره رفتار ماده در مقیاسهای زیراتمی مورد استفاده قرار گیرند.
شبیهسازی فرایندی مرتبط با شکلگیری ماده
در این آزمایش پژوهشگران مدلی از شکست رشتهای را با استفاده از زنجیرهای متشکل از ۱۳ یون بهدامافتاده در یک سامانه کوانتومی بازسازی کردند. آنها با استفاده از پرتوهای لیزری که با دقت بالا کنترل میشدند برهمکنش میان یونها را تنظیم کردند.
این برهمکنشها به پژوهشگران اجازه داد تا انرژی سامانه را بهگونهای کنترل کنند که رفتار آن مشابه کشیدهشدن و در نهایت گسستن یک رشته باشد.
پژوهشگران سامانه را ابتدا در یک وضعیت خارج از تعادل قرار دادند و سپس تحول آن را در طول زمان دنبال کردند. آنها در جریان این فرایند توانستند ظهور بارهای موثر و پویایی رشته ایجادشده در سامانه را بازسازی و بررسی کنند.
کریستوفر مونرو، استاد برجسته مهندسی برق و رایانش و فیزیک در دانشگاه دوک و از پژوهشگران اصلی این مطالعه گفت شبیهسازیهای رایانهای کوانتومی میتوانند بستری مناسب برای بررسی پرسشهای پیچیدهای مانند شکلگیری ماده فراهم کنند.
او افزود این آزمایشها میتوانند مسیرهای تازهای برای بررسی پویایی شکست رشتهای و درک بهتر رفتار ماده در بنیادیترین سطح باز کنند.
رشتهای که با افزایش انرژی میشکند
برای درک این پدیده باید به کوارکها توجه کرد؛ ذراتی بنیادی که یکی از اجزای سازنده ماده به شمار میروند و درون ذراتی مانند پروتونها و نوترونها بهصورت مقید وجود دارند.
کوارکها حدود یک میلیارد بار کوچکتر از اتم هستند و در شرایط عادی نمیتوان آنها را بهطور مستقیم مشاهده کرد. برای توضیح رفتار آنها میتوان دو کوارک را مانند دو ذره باردار بسیار کوچک تصور کرد که به وسیله نوعی رشته به یکدیگر متصل هستند.
این ذرات تمایل دارند در کنار یکدیگر باقی بمانند و جدا کردن آنها به انرژی زیادی نیاز دارد. هنگامی که کوارکها از یکدیگر دور میشوند انرژی موجود در پیوند میان آنها افزایش پیدا میکند.
اگر انرژی این سامانه به اندازه کافی افزایش یابد میتواند به شکلگیری ذرات باردار جدید منجر شود. این فرایند با رابطه مشهور اینشتین، E=mc² مرتبط است؛ یعنی انرژی میتواند به جرم تبدیل شود.
در چنین شرایطی رشته میان ذرات اصطلاحا میشکند و به جای یک جفت اولیه چند جفت ذره شکل میگیرد. وقوع چنین فرایندی به انرژی بسیار زیادی نیاز دارد و به همین دلیل نمونههای طبیعی آن به محیطهای بسیار پرانرژی مانند برخوردهای ذرات در برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) یا شرایط حاکم بر جهان اولیه پس از مهبانگ مرتبط است.
بازسازی رفتار کوارکها با یونهای بهدامافتاده
پژوهشگران در مطالعه جدید تلاش کردند نمونهای مشابه از این پدیده را در یک سامانه کوانتومی کنترلشده بازسازی کنند.
شبیهسازهای کوانتومی این امکان را فراهم میکنند که پژوهشگران یک سامانه کوانتومی را برنامهریزی کنند تا رفتار فرایندهای واقعی در مقیاس اتمی یا زیراتمی را بازسازی کند.
آرینجوی د نویسنده اول مقاله و دانشجوی سابق دکتری در آزمایشگاه مونرو که اکنون در شرکت QuEra Computing فعالیت میکند صگفت قرار گرفتن در نقطه تلاقی شبیهسازی کوانتومی و فیزیک انرژیهای بالا فرصتهای جدیدی برای بررسی رفتار ماده در بنیادیترین سطح ایجاد میکند.
به گفته او شبیهسازی پدیدههایی مانند محبوسشدن کوارکها و شکست رشتهای در یک محیط آزمایشگاهی کنترلشده مسیرهای تازهای را برای بررسی تجربی رفتار ماده فراهم میکند.
آزمایش چگونه انجام شد؟
برای انجام این آزمایش پژوهشگران یک مدل ریاضی مربوط به شکست رشتهای را در یک زنجیره متشکل از ۱۳ یون بهدامافتاده کدگذاری کردند.
پرتوهای لیزری با دقت بالا برای تنظیم برهمکنش میان یونها به کار گرفته شدند. پژوهشگران از این طریق انرژی سامانه را کنترل کردند تا رفتاری مشابه کشیدهشدن یک رشته و سپس گسستن آن ایجاد شود.
پس از آمادهسازی سامانه در یک حالت خارج از تعادل تحول آن در طول زمان اندازهگیری شد. پژوهشگران در این مرحله ظهور بارهای موثر را مشاهده و سپس پویایی رشته ایجادشده در سامانه را بازسازی کردند.
برای بررسی صحت نتایج همین فرایند با استفاده از یک رایانه کلاسیک نیز شبیهسازی شد و نتایج بهدستآمده با خروجی رایانه کوانتومی مطابقت داشت.
با این حال پژوهشگران تاکید دارند که با افزایش اندازه و پیچیدگی مسئله انجام چنین محاسباتی برای رایانههای کلاسیک دشوارتر خواهد شد و در مسائل بزرگتر، رایانههای کوانتومی میتوانند امکان حل مسائلی را فراهم کنند که از توان رایانههای کلاسیک خارج هستند.
سه فناوری کوانتومی در حال رقابت
این پژوهش تنها تلاش برای شبیهسازی شکست رشتهای نیست. دو گروه پژوهشی دیگر نیز بهصورت مستقل نتایج مشابهی را با استفاده از معماریهای متفاوت رایانش کوانتومی منتشر کردهاند.
یک گروه به سرپرستی Google این پدیده را با استفاده از سامانههای مبتنی بر مدارهای ابررسانا شبیهسازی کرده است. گروه دیگری به سرپرستی QuEra Computing نیز از پلتفرم مبتنی بر اتمهای خنثی استفاده کرده است.
به این ترتیب سه معماری متفاوت شامل یونهای بهدامافتاده، مدارهای ابررسانا و اتمهای خنثی برای مطالعه یک پدیده فیزیکی مشابه مورد استفاده قرار گرفتهاند. هر یک از این پلتفرمها مزایا و چالشهای خاص خود را دارند.
مونرو این سه پلتفرم را از فناوریهای اصلی در حال توسعه در حوزه رایانش کوانتومی دانست و گفت مقایسه نتایج آنها میتواند یک معیار مناسب برای جامعه علمی این حوزه فراهم کند.
گامی به سوی شبیهسازیهای فراتر از ابررایانهها
پژوهشگران معتقدند نتایج حاصل از پلتفرم یونهای بهدامافتاده میتواند گامی در مسیر ساخت شبیهسازهای کوانتومی پیچیدهتر باشد. سامانههایی که در آینده بتوانند مسائلی را بررسی کنند که حتی قدرتمندترین ابررایانههای امروزی نیز در حل آنها با محدودیت مواجه میشوند.
چنین شبیهسازیهایی در صورت توسعه میتوانند به دانشمندان امکان دهند شرایط حاکم بر جهان اولیه را در محیطی آزمایشگاهی بررسی کنند و درباره پرسشهایی مانند چگونگی شکلگیری و تحول ماده پس از مهبانگ اطلاعات بیشتری به دست آورند.
زهره داوودی، دانشیار فیزیک دانشگاه مریلند و یکی از اعضای تیم پژوهش نیز گفت بررسی شرایط جهان اولیه با استفاده از یک دستگاه محاسباتی در مقیاس اتمی از نظر فیزیکی بسیار هیجانانگیز است.
او افزود حتی کوچکترین بینشهایی که از بررسی مدلهای فیزیکی خارج از تعادل به دست میآیند، میتوانند در مسیر پژوهشهای آینده راهگشا باشند.
این پژوهش نشان میدهد رایانش کوانتومی در حال حرکت فراتر از کاربردهای محاسباتی صرف است و میتواند به ابزاری برای بازسازی و مطالعه پدیدههایی تبدیل شود که در شرایط عادی آزمایش مستقیم آنها بسیار دشوار است؛ از رفتار کوارکها و شکلگیری ذرات گرفته تا بررسی فرایندهای مرتبط با تکامل ماده در جهان اولیه.
انتهای پیام/
