کریستال زمان ایجاد شده در داخل یک کامپیوتر کوانتومی

منتشر شده در discovermagazine به تاریخ ۵ آگوست ۲۰۲۱

لینک منبع Time Crystal Created Inside A Quantum Computer

کریستال‌ها زمانی شکل می‌گیرند که انرژی از مواد خاصی خارج می‌شود و آن‌ها را وادار به اتخاذ ساختارهای فضایی جدید می‌کند. ویژگی کلیدی کریستال‌ها این است که وقتی آن‌ها شکل می‌گیرند، تقارن شکسته می‌شود. به جای این که ماده در تمام جهات یک‌سان باشد، تنها در برخی جهات یک‌سان است. آن یک ساختار متناوب را شکل می‌دهد.

در سال 2012، فرانک ویلچک، فیزیکدان برنده جایزه نوبل و همکارش آل شاپره هنگام بررسی این پدیده ایده جالبی را ارائه کردند. آن‌ها استدلال کردند که قوانین فیزیک در زمان و همچنین در فضا متقارن هستند، بنابراین این نوع رفتار نباید تنها به ابعاد فضایی محدود شود. آن‌ها تصمیم گرفتند که ساختارهای متناوب مشابهی نیز باید به موقع ظاهر شوند. آن‌ها این ساختارها را کریستال‌های زمانی می‌نامند.

این یک جهش کاملا نظری به سوی ناشناخته‌ها بود. اما در میان فیزیکدانانی که شروع به کار برای ساخت کریستال‌های زمانی کردند، موجی از سر و صدا به راه انداخت. در سال 2016، آنها با استفاده از رشته‌ای از یون‌های ایتربیوم که به حالت اولیه خنک شده بودند اما هنوز قادر به تعامل با یکدیگر بودند، به آن دست یافتند.

تعامل به این صورت عمل می‌کند: هر یون در یک جهت خاص چرخش می‌کند که می‌تواند با تغییر سریع آن با لیزر معکوس شود. وقتی این اتفاق می‌افتد، تغییر در چرخش باعث چرخش یون بعدی و سپس بعدی و ...، در یک واکنش زنجیره‌ای می‌شود. در واقع، این زنجیره را می‌توان به نوسان وادار کرد که بستگی به این دارد که هر چند وقت یکبار دچار تغییر سریع می‌شود.

پازل انرژی

کشف کلیدی در سال ۲۰۱۶ این بود که نوسان نیز در فرکانس محرک دوگانه رخ می‌دهد. به طور معمول، این یک معما خواهد بود چون یون‌ها بسیار قدیمی هستند و هیچ منبع انرژی دیگری ندارند.

اما ویلچک و شاپیر می‌گویند این دقیقا همان چیزی است که شما از یک کریستال زمانی انتظار دارید. کریستال‌های زمان به جای ثابت بودن در زمان، در طول زمان با سرعت خاصی تغییر می‌کنند، در این مورد با دو برابر فرکانس محرک.

البته، انجام این آزمایش دشوار و نسبتا سری است. این امر نیازمند ایجاد یک سیستم کوانتومی خاص است که بتواند به روش‌های دقیق، در این مورد یون‌های مافوق صوت، کنترل شود.

اکنون جو راندال و کانر برادلی در راه اندازی محاسبات کوانتومی QuTech در هلند، با همکاران خود در سایر نقاط، روش دیگری را برای ایجاد کریستال زمان پیدا کرده‌اند. و ماشینی که آن‌ها برای انجام آن استفاده کرده‌اند یک کامپیوتر کوانتومی است.

دیدگاه رایج کامپیوترهای کوانتومی این است که آن‌ها ابزارهای پردازش اطلاعات قدرتمندی هستند که می‌توانند کدها را بشکنند و محاسبات جالب توجهی را انجام دهند. اما این ماشین‌ها یک ترفند جالب دیگر نیز انجام می‌دهند: شبیه‌سازی.

فیزیک‌دانان از مدت‌ها پیش می‌دانستند که رفتار یک سیستم کوانتومی لزوما به ماده‌ای که از آن ساخته شده‌است-اتم‌ها و الکترون‌ها و فوتون‌ها و غیره-بستگی ندارد. در عوض، رفتار آن توسط حالت کوانتومی آن تعیین می‌شود، یک توصیف ریاضی از نحوه تعامل این نهادها.

ایده کلیدی این است که ترکیب‌های مختلف مواد می‌توانند حالت کوانتومی یکسانی داشته باشند و بنابراین به روش یکسانی رفتار کنند. بنابراین یک مجموعه از مولکول‌ها می‌توانند حالت کوانتومی یکسانی با یک مجموعه از فوتون‌ها یا یون‌ها یا اتم‌ها و غیره داشته باشند. در واقع، این سیستم‌ها فقط بسیار مشابه یکدیگر نیستند؛ آن‌ها از نظر رفتار کوانتومی دقیقا یک‌سان هستند.

به همین دلیل است که کامپیوترهای کوانتومی شبیه‌سازهای قدرتمندی هستند. کامپیوتر-چه بر پایه یون‌ها باشد و چه براساس فوتون‌ها و یا اسپین‌های هسته‌ای و یا هر چیز دیگر-باید به سادگی در همان حالت کوانتومی به عنوان شی شبیه‌سازی شده آماده شود. محققان این کار را برای مدتی انجام داده‌اند تا انواع خواص اتم‌ها، مولکول‌ها، پروتئین‌ها و غیره را مطالعه کنند.

شبیه‌سازی کوانتوم

حالا راندال و بردلی و همکارانش یک کریستال زمانی را با تنظیم کامپیوتر کوانتومی خود در همان حالت کوانتومی شبیه‌سازی کرده‌اند که یک رشته از یون‌های ایتربیوم زمانی که به این روش رفتار می‌کند اتخاذ می‌کند. و مطمئناً آن‌ها دریافتند که شبیه‌سازی نیز دقیقاً به همان شیوه رفتار می‌کند. آن‌ها دو برابر شدن مشخصه نرخ نوسان را مشاهده می‌کنند که علامت یک کریستال زمانی است.

جالب توجه است که گروه دیگری در گوگل نتیجه مشابهی را اعلام کرده‌اند، البته چند هفته پس از تیم Qutech.

این کاری است که پتانسیل جالبی دارد. کریستال‌های زمان را می‌توان به عنوان شکلی از ماده کوانتومی در نظر گرفت. اما اشکال دیگری نیز وجود دارند، مانند حالت‌های محافظت‌شده از نظر توپوگرافی که در تصحیح خطا مفید هستند.

اثبات شده‌است که ایجاد این موارد در شرایط دیگر دشوار است. اما تکنیک‌های مشابهی که برای شبیه‌سازی کریستال‌های زمان به کار می‌روند ممکن است به این حالت‌های عجیب و غریب اجازه دهند که در کامپیوترهای کوانتومی نیز ایجاد شوند. هر کسی می‌تواند حدس بزند که این کار ما را به کجا خواهد برد.

کریستال‌های زمان و حالت محافظت‌شده از نظر توپوگرافی، ابزارهای کوانتومی جالبی هستند. حالا سوال این است که با آن‌ها چه چیزی بسازیم.

این متن با استفاده از ربات ترجمه مقالات فیزیک 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.