فوتون‌ها در حالت‌های خاص حتی در میان هرج‌و‌مرج نیز قوی هستند

منتشر شده در scitechdaily به تاریخ ۱۷ دسامبر ۲۰۲۲
لینک منبع Google Quantum AI Reveals Bound States of Photons Hold Strong Even in the Midst of Chaos

محققان با استفاده از یک پردازنده کوانتومی، فوتون‌های مایکروویو را به طور غیر‌مشخصی چسبناک ساختند. پس از ترغیب آن‌ها به جمع شدن در حالت‌های محدود، آن‌ها دریافتند که این خوشه‌های فوتونی در رژیمی زنده مانده‌اند که انتظار می‌رود در حالت‌های معمولی و انفرادی خود حل شوند. از آنجایی که این یافته برای اولین بار بر روی یک پردازنده کوانتومی انجام شد، نشان دهنده نقش رو به رشدی است که این پلتفرم‌ها در مطالعه دینامیک کوانتومی ایفا می‌کنند.

فوتون‌ها – بسته‌های کوانتومی تابش الکترومغناطیسی مانند نور یا امواج مایکروویو - معمولاً با یکدیگر تعامل ندارند. به عنوان مثال، دو پرتو چراغ قوه متقاطع بدون مزاحمت از یکدیگر عبور می‌کنند. با این حال، فوتون‌های مایکروویو را می‌توان برای تعامل در آرایه‌ای از کیوبیت‌های ابررسانا ساخت.

محققان در Google Quantum AI چگونگی مهندسی این وضعیت غیرعادی را در «تشکیل حالت‌های محدود فوتون‌های متقابل» که در ۷ دسامبر در مجله Natureمنتشر شد، توصیف می‌کنند. آن‌ها حلقه‌ای از 24 کیوبیت ابررسانا را بررسی کردند که می‌توانست میزبان فوتو‌های مایکروویو باشد. با اعمال دروازه‌های کوانتومی به جفت کیوبیت‌های همسایه، فوتون‌ها می‌توانند با پرش بین مکان‌های همسایه و تعامل با فوتون‌های مجاور به اطراف سفر کنند.

فعل‌و‌انفعالات بین فوتون‌ها بر فاز آن‌ها تأثیر گذاشت. فاز نوسان تابع موج فوتون را دنبال می‌کند. هنگامی که فوتون‌ها برهم‌کنش ندارند، تجمع فاز آن‌ها نسبتاً جالب نیست. مانند یک گروه کر که به خوبی تمرین کرده‌اند، همه آن‌ها با یکدیگر هماهنگ هستند. در این حالت، فوتونی که در ابتدا در کنار فوتون دیگری قرار داشت، می‌تواند بدون خارج شدن از همگام بودن، از همسایه خود دور شود. همانطور که هر فرد در گروه کر به آهنگ کمک می‌کند، هر مسیر ممکنی که فوتون می‌تواند طی کند به عملکرد موج کلی فوتون کمک می‌کند. گروهی از فوتون‌ها که در ابتدا در مکان‌های همسایه جمع شده‌اند، به برهم‌نهی تمام مسیرهای ممکنی که هر فوتون ممکن است طی کرده باشد، تبدیل می‌شوند.

وقتی فوتون‌ها با همسایگان خود برهم‌کنش می‌کنند، دیگر اینطور نیست. اگر یک فوتون از همسایه خود فاصله بگیرد، سرعت انباشت فاز آن تغییر می‌کند و با همسایگان خود هماهنگ نمی‌شود. تمام مسیرهایی که در آن فوتون‌ها از هم جدا می‌شوند، هم‌پوشانی دارند و منجر به تداخل مخرب می‌شود. مثل این است که هر یک از اعضای گروه کر با سرعت خاص خود آواز می‌خواند - خود آهنگ از بین می‌رود و تشخیص آن از میان هیاهوی هر خواننده غیرممکن می‌شود. در میان تمام مسیرهای پیکربندی ممکن، تنها سناریوی ممکنی که باقی می‌ماند، پیکربندی است که در آن همه فوتون‌ها در یک حالت محدود در کنار هم قرار می‌گیرند. به همین دلیل است که برهمکنش می تواند باعث افزایش و تشکیل یک حالت محدود شود: با سرکوب همه احتمالات دیگری که در آن فوتون‌ها به یکدیگر متصل نیستند.

محققان برای اینکه به طور دقیق نشان دهند که حالت‌های محدود دقیقاً مانند ذرات رفتار می‌کنند، با کمیت‌های کاملاً تعریف شده مانند انرژی و تکانه، تکنیک‌های جدیدی را برای اندازه‌گیری چگونگی تغییر انرژی ذرات با تکانه توسعه دادند. با تجزیه‌و‌تحلیل اینکه چگونه همبستگی بین فوتون‌ها با زمان و مکان متفاوت است، آن‌ها توانستند به اصطلاح "رابطه پراکندگی انرژی- تکانه" را بازسازی کنند و ماهیت ذره‌مانند حالت‌های محدود را تأیید کنند.

وجود حالت‌های محدود به خودی خود چیز جدیدی نبود - در رژیمی به نام "رژیم ادغام‌پذیر"، که در آن پویایی بسیار کم‌تر پیچیده است، حالات محدود قبلاً ده سال پیش پیش‌بینی و مشاهده شده بودند. اما فراتر از یکپارچگی، هرج و مرج حاکم است. قبل از این آزمایش، به طور منطقی فرض می‌شد که حالت‌های محدود در میان هرج و مرج از هم می‌پاشند. برای آزمایش این، محققان با تنظیم هندسه حلقه ساده به یک شبکه دنده‌ای شکل پیچیده‌تر از کیوبیت‌های متصل، فراتر از یکپارچگی عمل کردند. آن‌ها از اینکه متوجه شدند که حالت‌های مقید به خوبی در رژیم هرج‌و‌مرج باقی مانده‌اند شگفت زده شدند.

تیم Google Quantum AIهنوز مطمئن نیست که این حالت‌های محدود انعطاف‌پذیری غیرمنتظره خود را از کجا به دست می‌آورند، اما می‌تواند با پدیده‌ای به نام «پیش گرماسازی» ارتباط داشته باشد، جایی که مقیاس‌های انرژی ناسازگار در سیستم می‌تواند مانع از رسیدن یک سیستم به تعادل حرارتی سریع شود. همانطور که در غیر این صورت خواهد بود.

محققان پیش‌بینی می‌کنند که مطالعه این سیستم بینش‌های تازه‌ای را در مورد دینامیک کوانتومی چند جسمی ارائه می‌کند و الهام‌بخش اکتشافات فیزیک اساسی‌تر با استفاده از پردازنده‌های کوانتومی است.

این متن با استفاده از ربات ترجمه مقالات کوانتوم ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است. در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.