أظهرت واحدة من أولى المحاكاة الكمومية ظاهرة غامضة: سلسلة من الذرات التي تعود بشكل دوري إلى الحالة المطلوبة. يحاول علماء الفيزياء السباق شرح ما يحدث.
ذوبان الآيس كريم لا يخضع للتجميد التلقائي. ومع ذلك ، فإن أحد أجهزة محاكاة الكم تعود باستمرار إلى الحالة المطلوبة بعد وصول النظام إلى التوازن.سوف يمر وقت كافٍ ، وحتى في الغرفة الأكثر رقة ستكون هناك فوضى. سوف تترك الملابس والكتب والأوراق حالتها المنظمة وتنتشر في كل مكان. وعلى نحو مزعج ، يعكس هذا الاتجاه نحو الاضطراب قانون الطبيعة: فالفوضى تميل إلى النمو.
على سبيل المثال ، إذا فتحت بالون الغواص تحت الضغط ، فإن جزيئات الهواء بداخله سوف تطير وتنتشر في جميع أنحاء الغرفة. ضع مكعب ثلج في الماء الساخن ، وجزيئات الماء المجمدة في شعرية بلورية مرتبة ستكسر روابطها وتفرق. عند الخلط والتوزيع ، يميل النظام إلى التوازن مع البيئة ، وهو ما يسمى بالحرارة.
هذا تأثير شائع وبديهي كان يتوقعه الفيزيائيون ليصطفوا 51 ذرة من روبيديوم على التوالي وتحفظها في مكانها باستخدام الليزر. بدأت الذرات بهيكل منظم ، وتحولت بين حالة "الأرض" بأقل قدر من الطاقة والحالة المثيرة. اقترح الباحثون أن يصبح هذا النظام سريعًا حرارياً: سوف يهدأ تناوب الأرض والحالات المتحمسة على الفور تقريبًا في شكل تسلسل عشوائي.
في البداية ، تسلسل الفوضى لم. ولكن بعد ذلك ، وللمفاجأة التي قام بها العلماء ، عادوا إلى تسلسلهم المتناوب الأصلي. بعد الخلط الإضافي ، عادت الذرات إلى التكوين الأصلي. تناوبت الدول جيئة وذهابا مع تردد عدة مرات لكل ميكروثانية - بعد فترة طويلة من النظام كان لا بد من thermized.
قال
ميخائيل لوكين ، عالم فيزياء بجامعة هارفارد وزعيم مجموعة من العلماء ، يبدو الأمر كله وكأنك أسقطت مكعبًا ثلجًا في الماء الساخن ، ولم يذوب فقط. وقال "إننا نرى ذوبان الجليد ثم نبلور ، ثم نذوب ، ونتبلور مرة أخرى". "هذا شيء غير عادي للغاية."
لقد وصف الفيزيائيون هذا السلوك الغريب بأنه "تندب كم متعدد الجسيمات". ذرات ، على ما يبدو ، تحمل بصمة الماضي ، كما لو كانت نوعا من الندبة ، مما يجعلها تعود إلى التكوين الأصلي مرارا وتكرارا.
في الـ 16 شهرًا منذ
نشر العمل في مجلة Nature ، حاولت عدة مجموعات من علماء الفيزياء فهم طبيعة هذه الندوب الكمومية. يعتقد البعض أن هذا الاكتشاف قد يفتح فئة جديدة من التفاعل وسلوك الجسيمات الكمومية ، ينكر افتراضات علماء الفيزياء أن مثل هذا النظام يتحرك بلا هوادة نحو الترميز الحراري. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يؤدي تأثير التندب إلى إنشاء أنواع جديدة من البتات الكمومية للتخزين طويل الأجل ، والتي تعد المكونات الرئيسية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية المستقبلية.
التغلب على احتمال الصفر
في الواقع ، عند دراسة نظام يتكون من 51 ذرة ، أخذوا في الاعتبار الحسابات الكمومية. تم تصميم هذا النظام كمحاكاة كمومية ، وهو عبارة عن جهاز مصمم لمحاكاة العمليات الكمومية التي لا يمكن التحقيق فيها بطرق أخرى باستخدام جهاز كمبيوتر تقليدي. في وقت واحد ، كان هذا النظام أكبر محاكاة الكم للجميع.
تعمل ذرات آلة هارفارد كمبتات ، وتسمى
حالاتها ، الأساسية أو المتحمسة ، حالات
Rydberg . يمكن للباحثين ضبط النظام عن طريق تغيير ، على سبيل المثال ، قوة تفاعل الذرات مع بعضها البعض.
أعد الباحثون عدة سلاسل أولية من الأرض وحالات ذرات متحمسة. بما أن الذرات تتفاعل بفعالية مع بعضها البعض ، يجب أن تتحول إلى ترطيب. ولكن بدلاً من التفاعلات التي تشبه الجزيئات في الغاز ، تنتج الذرات في مثل هذا النظام الكمومي نوعًا من رابطة الكم العميقة ، والمعروفة باسم التشابك. "ثم ينتشر الارتباك" ، قال لوكين. "هذه هي الطريقة التي يحدث thermization."
ميخائيل لوكينوعادة ما نما التعقيد في محاكاة. ومع ذلك ، عندما بدأ الباحثون التجربة ، بترتيب الذرات في سلسلة متناوبة من حالات الإثارة والأرض المتناوبة ، أصبحت الجسيمات متشابكة أولاً ، ثم فقدتها ، تتأرجح ذهابًا وإيابًا من التكوين الأصلي.
بدا هذا السلوك غير مرجح ، على وشك المستحيل. بعد أن تبدأ الذرات في التفاعل ، يجب نسيان تسلسلها المتناوب بسرعة كبيرة ، حيث يمكن للذرات أن تدخل في عدد كبير من التتابعات المحتملة للحالات المتحمسة والأرضية. هذا مشابه للمثال مع أسطوانة ، جزيئات الهواء التي تترك التكوين الأصلي وتنتشر حول الغرفة. لتوزيعها ، يوجد عدد كبير من الأماكن ، وبالتالي فإن احتمالية أن يتم ضغطها جميعًا بطريق الخطأ مرة أخرى في الحاوية هو صفر تقريبًا.
وقال
زلاتكو بابيتش ، الفيزيائي بجامعة ليدز في إنجلترا: "يمكن أن يوجد نظام كمي في العديد من الولايات الممكنة بحيث يكون من الصعب للغاية عليه العودة إلى الأصل".
ومع ذلك ، يقول لوكين أن هذا هو ما لاحظوه. وقال بابيتش إن النظام يتمتع بنوع من الفيزياء الخاصة ، مما يسمح له بالعودة إلى مساره الخاص. "تترك وراءها سلسلة من فتات الخبز ، وتعود إلى بداية المسار".
"هذا هو الاكتشاف الحقيقي الأول المصنوع من آلة الكم" ، وقال لوكين.
بدأ لوكين وزملاؤه في وصف التجربة ، ولكن قبل نشر العمل ، وصفها لوكين في مؤتمر في تريست الإيطالية في يوليو 2017. "لم نكن نعرف كيف نفهم هذا" ، قال بابيتش ، الذي كان حاضراً في ذلك اليوم. "لا أعتقد أن أيًا من الحاضرين كانت لديه أفكار لشرح أسباب ذلك".
ندوب في الملعب
ومع ذلك ، سرعان ما أدرك بابيتش وزملاؤه أن مثل هذا السلوك يشبه ظاهرة اكتشفت قبل حوالي 30 عامًا. في الثمانينات من القرن الماضي ، درس الفيزيائي
إريك جيلر من جامعة هارفارد فوضى الكم: ماذا سيحدث لو تم تطبيق ميكانيكا الكم على الأنظمة الفوضوية؟ على وجه الخصوص ، فحص جيلر ارتداد الكرات داخل "
ملعب بونيموفيتش " - طاولة مستطيلة الشكل ذات أركان مستديرة. النظام فوضوي. لفترة طويلة بما فيه الكفاية ، سوف تمر الكرة على طول جميع المسارات الممكنة داخل
الملعب . ولكن إذا أطلقت الكرة بزاوية معينة ، فسوف تتبع نفس المسار إلى الأبد.
في تجربة فكرية ، استبدل جيلر الكرة بجسيم كمي. وقال بابيتش ، "بعد التوقع الساذج هو أنه إذا كان نظامنا الكلاسيكي فوضويًا بالفعل ، فيمكننا أن نتوقع سلوكًا أكثر فوضوية بعد إضافة قواعد الميكانيكا الكمومية". يجب تلطيخ الوظيفة الموجية للجسيم - الحزمة الرياضية المجردة لخصائصها الكمية - حول الملعب ، حيث تنتشر الأمواج عبر البركة. يجب أن يكون احتمال العثور على جسيم في مكان محدد بالملعب مساويا لجميع نقاطه.
يمكن أن تظهر الجسيمات الموضوعة على ملعب بونيموفيتش ندوبًا ومسارات حيث يكون احتمال اكتشافها مرتفعًاومع ذلك ، وجد جيلر أن وظيفة الموجة لا تنتشر بشكل متساوٍ ، لكنها تتراكم على مسارات لتكرار مسار المثال الكلاسيكي ، حيث تتحرك الكرة إلى ما لا نهاية. كما لو أن الأمواج تولد ذكرى لهذا المسار المعين. قال جيلر: "إنها مثل طريقة العودة إلى المنزل للأمواج". "إنهم يريدون العودة إلى مكان ميلادهم". بهذه البساطة. "
كونها على هذا المسار ، تتداخل وظيفة موجة الجسيمات مع نفسها ، وتضيف قمم إلى قمم ، وتراجع إلى الانخفاضات. نتيجة لذلك ، من المرجح أن يكون الجسيم في مكان ما على طول الطريق. على الرسم البياني ، يشبه توزيع الاحتمال نسخة ضبابية من المسارات الدورية الكلاسيكية. قال جيلر: "يبدو لي وكأنه ندوب". لذلك ، في
عمله في عام 1984 ، ودعا لهم ذلك.
يعتقد بابيتش أنه ربما يمكن تفسير ظاهرة مماثلة من خلال حقيقة أن نظامًا يتكون من 51 ذرة يعود إلى التكوين الأصلي. ربما هي أيضا تفتقد المنزل.
ندبة ترك شق
لمعرفة ذلك ، قام بابيتش وزملاؤه
بتحليل الحالات الكمومية لنموذج نظام 51 ذرة. وجدوا أن سلوكها التذبذب الغريب يشبه حقًا تندب غيلر الكمي. حددوا الظروف التي تشبه تلك الحالات الخاصة التي تتوافق مع مسارات الندوب. من خلال العودة بشكل دوري إلى هذه الحالات ، يمكن للنظام تجنب التسخين الحراري. كانت العلاقة مع ندبات الكم قوية بما فيه الكفاية بحيث في عملهم في العام الماضي ، الذي نشر في مجلة Nature Physics ، أطلقوا على هذه الظاهرة اسم "تندب الكم الجزيئي".
على الرغم من الشكوك الأولية التي سببها تحليل بابيتش ، إلا أن لوكين ، وكذلك
وين وي هو ، عالم فيزياء هارفارد وآخرون ، أقاما علاقة أقوى بتندب الكم في
ورقة نشرت في يناير. لقد حددوا طريقة كلاسيكية لوصف حالة النظام الذري 51 كنقطة في الفضاء المجرد. مع تغيير في حالة النظام ، تتحرك نقطة في الفضاء. ووجد الباحثون أنه عندما يختبر النظام اهتزازاته الغريبة ، تتدلى النقطة ذهابًا وإيابًا تمامًا مثل كرة على مسار دوري خاص موضوعة على طاولة بلياردو الملعب.
الإعداد التجريبي الذي أنشأ الباحثون جهاز محاكاة الكمالعثور على تشبيه كلاسيكي ، عزز الباحثون الادعاء بأن ظاهرة جسيم واحد هيلر تنطبق على نظام العديد من الجسيمات. وقال جيلر: "من الواضح أن هؤلاء الرجال وجدوا شيئًا ما". - بالتأكيد ".
هناك شيء واحد واضح - أثارت هذه التجربة اهتمام الباحثين من جميع أنحاء العالم.
حددت مجموعة من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا تعبيرات رياضية لبعض الحالات الخاصة لنظام 51 ذرة.
اقترح آخر ، من برينستون ، أن الندوب يمكن أن تكون جزءًا من ظاهرة أكثر عمومية قابلة للتطبيق في مختلف مجالات فيزياء المادة المختصرة. قال هو: "نعتقد أننا يبدو أننا نفهم ما يحدث في هذا النظام". "ومع ذلك ، ما زلنا لا نملك طريقة معممة للبحث عن ندوب مسارات أخرى."
تبقى أسئلة أعمق. وقال
فيديكا كيماني ، وهو فيزيائي بجامعة هارفارد لم يشارك في التجربة: "
الندبات هي وصف مفيد للمشكلة". "لكنني لا أعتقد أن لدينا فهم حقيقي لما يؤدي إلى ظهورهم."
هيكل في العشوائية
على الرغم من كل هذه الأمور المجهولة ، فإن تندب العديد من الجسيمات له أهمية كبيرة للفيزيائيين ، لأنه يمكن أن يمثل فئة جديدة من أنظمة الكم.
على مدار الأعوام القليلة الماضية ، درس الفيزيائيون توطينًا آخر متماثلًا ، وهو تعدد الجسيمات ، حيث تمنع العيوب العشوائية ترطيب النظام. كقياس ، تخيل قطيعاً من الأبقار يمشي على أرض مستوية. يجب على الأبقار في النهاية أن تنتشر في أماكن مختلفة - دعنا نسميها ترطيب بقرة. ولكن إذا كانت التلال العشوائية تلتقي في الميدان ، فإن الأبقار ستنتهي في الأراضي المنخفضة.
وبالمثل ، فإن نظام ندوب الكم العديدة من الجسيمات ليس نظامًا فوضويًا يسعى إلى المعالجة الحرارية. ولكن لا توجد تلال في ذلك أيضا. "هذا العمل يتحدث عن وجود فئة جديدة من النظم تقع في مكان ما بين" ، وقال Papich.
لتوضيح تأثير التندب ، يشير تحليل جديد أجراه كيماني إلى أن نظام 51 ذرة يمكن أن يكون نظامًا
متكاملًا (أو يقترب من
نظام واحد). هذه هي حالة خاصة معزولة لنظام مع العديد من القيود والميزات التي يتم ضبطها لمنع تسخينها. لذلك ، إذا كان نظام ندبة متكامل ، فقد يتحول إلى حالة فريدة في فئة أوسع من الظواهر.
وقال بابيتش إن الفيزيائيين يدرسون الأنظمة القابلة للتكامل منذ عقود ، وإذا تبين أن النظام قابل للتكامل ، فإن عواقب هذه الحقيقة لن تكون مثيرة للاهتمام كما لو أن هذا النظام الكمومي سيكون فريدًا. كتب Papich و Ho و Lukin
ورقة تتعارض مع هذا الاحتمال.
ولكن بغض النظر عما إذا كان التندب هو فئة جديدة من السلوك الكمومي ، يشير هذا الاكتشاف إلى إمكانية مغرية لتحسين أجهزة الكمبيوتر الكمومية. واحدة من مشاكل إنشاء جهاز كمبيوتر الكم هو الحاجة إلى حماية بته هش. أي اضطراب أو اضطراب من البيئة يمكن أن يتسبب في تربيع البتات للكيمياء ومحو أي معلومات مخزنة فيها ، مما يجعل الكمبيوتر عديم الفائدة. وقال هو: "إذا تمكنا من إيجاد طريقة شائعة لإدخال ندبات في أنظمة أخرى ، فقد نتمكن من حماية المعلومات الكمية لفترة طويلة".
يمكن للتندب أن يمنح الكمبيوتر طريقة للاحتفاظ بالبيانات المخزنة ، مما يحمي الماضي من فوضى التمييع الحراري.
وقال بابيش: "هناك بعض الهياكل الجميلة ، المحفوظة بطريقة ما في بيئة عشوائية تمامًا". - ما الفيزياء يسمح لهذه العملية للعمل؟ "هذه قضية عميقة ومتعددة الجوانب ، تغطي العديد من مجالات الفيزياء ، وهذا التأثير هو أحد مظاهره".