یک مطالعه جدید از مرکز کوانتومی دوک (Duke Quantum Center) نشان می‌دهد که شبیه‌سازهای کوانتومی چگونه می‌توانند به پژوهشگران در بررسی شکل‌گیری ذرات و شرایط حاکم پس از بیگ‌بنگ کمک کنند.
کوارک‌ها اجزای بنیادی سازنده ماده هستند، اما هرگز به‌تنهایی وجود ندارند. این ذرات که به‌شدت درون پروتون‌ها و نوترون‌ها به هم متصل‌اند، به‌گونه‌ای رفتار می‌کنند که انگار با یک ریسمان کشیده‌شده به یکدیگر وصل شده‌اند. جدا کردن آن‌ها به انرژی بسیار زیادی نیاز دارد و زمانی که این اتصال سرانجام از هم گسسته می‌شود، انرژی انباشته‌شده به ذرات کاملاً جدید تبدیل می‌شود. این فرایند که “شکست ریسمان (String breaking)” نام دارد، معمولاً تنها در محیط‌های بسیار شدید، مانند برخورددهنده بزرگ هادرونی (Large Hadron Collider) یا لحظات بلافاصله پس از بیگ‌بنگ رخ می‌دهد.
اکنون تیمی به سرپرستی پژوهشگران مرکز کوانتومی دوک توانسته است رفتاری مشابه را با استفاده از یک شبیه‌ساز کوانتومی متشکل از ۱۳ یون به دام افتاده، یعنی اتم‌های دارای بار الکتریکی، بازسازی کند. پژوهشگران با برنامه‌ریزی یون‌ها برای پیروی از یک مدل ریاضی، توانستند نحوه شکستن یک ریسمان شبیه‌سازی‌شده و شکل‌گیری بارهای مؤثر را بررسی کنند. نتایج این پژوهش که ۲۳ سپتامبر در مجله فیزیک نیچر (Nature Physics) منتشر شده، از نخستین شبیه‌سازی‌های کوانتومی پویایی شکست ریسمان مرتبط با شکل‌گیری ذرات و پادذرات به شمار می‌رود.
شکست ریسمان با کنترل لیزری
کوارک‌ها حدود یک میلیارد بار کوچک‌تر از یک اتم هستند و در حال حاضر نمی‌توان آن‌ها را به‌طور مستقیم مشاهده کرد. شبیه‌ساز کوانتومی این امکان را فراهم می‌کند که پژوهشگران رفتار مدل‌سازی‌شده کوارک‌ها را در یک سامانه قابل‌کنترل بررسی کنند. در آزمایش دوک، پرتوهای لیزری با دقت بالا برهم‌کنش میان یون‌ها را تنظیم کردند تا این برهم‌کنش‌ها بتوانند افزایش انرژی ناشی از کشیده شدن اتصال میان کوارک‌ها را شبیه‌سازی کنند.
ایجاد ذرات از این انرژی، بازتاب‌دهنده رابطه میان جرم و انرژی است که در معادله معروف اینشتین، E = mc²، توصیف می‌شود. هنگامی که ذرات جدید «به وجود می‌آیند» و ریسمان از هم می‌گسلد، به‌جای یک جفت اولیه، دو یا چند جفت ذره باقی می‌ماند.
برای دنبال کردن این تحول مشابه در شبیه‌ساز خود، پژوهشگران زنجیره‌ای از یون‌ها را در شرایطی خارج از تعادل آماده کردند؛ یعنی سامانه از حالتی آغاز شد که به‌جای باقی ماندن در وضعیت تعادل، در طول زمان تکامل پیدا می‌کرد. سپس پژوهشگران شکل‌گیری بارهای مؤثر را که در مدل به‌عنوان ویژگی‌هایی نماینده ذرات باردار تعریف شده بودند، زیر نظر گرفتند و پویایی حاصل از شکست ریسمان را بازسازی کردند.
آرینجوی دِ (Arinjoy De)، نویسنده اول مقاله و دانشجوی سابق دکتری در آزمایشگاه کریستوفر مونرو (Christopher Monroe)، که هدایت این پژوهش را بر عهده داشت، گفت:
کار در نقطه تلاقی شبیه‌سازی کوانتومی و فیزیک انرژی‌های بالا، بسیار هیجان‌انگیز است. با شبیه‌سازی حبس کوارک‌ها و پدیده‌های شکست ریسمان در یک محیط آزمایشگاهی کنترل‌شده، مسیرهای جدیدی برای بررسی تجربی رفتار ماده در بنیادی‌ترین سطح آن ایجاد می‌کنیم.
نتایج کوانتومی از آزمون کلاسیکی سربلند بیرون آمدند
پژوهشگران برای بررسی نتایج خود، همین مدل را روی یک رایانه کلاسیک نیز اجرا کردند. تطابق میان محاسبات و نتایج آزمایش نشان داد که شبیه‌ساز کوانتومی توانسته است مدل موردنظر را در ابعاد آزمایش‌شده با دقت بازتولید کند.
چالش بعدی، گسترش این شبیه‌سازی‌هاست تا بتوانند مسائل پیچیده‌ای را بررسی کنند که از توان رایانه‌های کلاسیک، حتی بزرگ‌ترین ابررایانه‌ها، خارج هستند.
چنین پیشرفتی می‌تواند راهی برای بررسی پرسش‌های پیچیده‌تر درباره نحوه تکامل ماده در اختیار پژوهشگران قرار دهد؛ از جمله بررسی ماده در شرایطی مشابه آنچه پس از بیگ‌بنگ وجود داشته است.
زهره داوودی (Zohreh Davoudi)، دانشیار فیزیک در دانشگاه مریلند (University of Maryland) و یکی از اعضای تیم پژوهشی، گفت:
به‌عنوان یک فیزیکدان، بررسی شرایط جهان اولیه در یک ماشین محاسباتی اتمی، فوق‌العاده هیجان‌انگیز است.
او افزود:
حتی کوچک‌ترین بینش‌هایی که از یک مدل فیزیکی خارج از تعادل به دست می‌آوریم، در آینده مسیر تحقیقات ما را هدایت خواهند کرد.
سه پلتفرم، یک معیار برای سنجش کوانتومی
این همکاری پژوهشی به سرپرستی دانشگاه دوک، پژوهشگرانی از دانشگاه مریلند (University of Maryland)، دانشگاه آکسفورد (Oxford University)، مؤسسه فناوری کالیفرنیا (California Institute of Technology)، دانشگاه کرنل (Cornell University) و دانشگاه کاتولیک لوون (KU Leuven) را شامل می‌شد.
نتایج این پژوهش در کنار دو مطالعه منتشرشده مشابه قرار می‌گیرد که در آن‌ها نیز شکست ریسمان در مدل‌های دیگر و با استفاده از فناوری‌های متفاوت محاسبات کوانتومی بازسازی شده است.
تیم‌هایی به سرپرستی گوگل (Google) و کوئرا کامپیوتینگ (QuEra Computing) به‌ترتیب از مدارهای ابررسانا و اتم‌های خنثی استفاده کردند. هر یک از این روش‌ها مزایا و چالش‌های خاص خود را دارند؛ بنابراین بازتولید یک پدیده مشابه در هر سه سامانه، امکان مقایسه توانایی انواع مختلف سخت‌افزارهای کوانتومی را فراهم می‌کند.
مونرو، که هدایت پژوهش دوک را بر عهده داشت و استاد برجسته مهندسی برق و کامپیوتر و فیزیک با عنوان گیلهولی فمیلی (Gilhuly Family Presidential Distinguished Professor) است، گفت:
این سه پلتفرم در خط مقدم محاسبات کوانتومی قرار دارند؛ بنابراین این آزمایش، یک معیار و مقایسه مناسب برای جامعه کوانتومی محسوب می‌شود.
او در ادامه گفت:
شبیه‌سازی‌های رایانه‌های کوانتومی، بهترین بستر برای بررسی پرسش‌های پیچیده‌ای مانند شکل‌گیری ماده هستند؛ مگر اینکه خودمان شاهد بیگ‌بنگ بوده باشیم. این یافته‌ها نشان‌دهنده پیشرفت قابل‌توجهی در حوزه علم کوانتوم هستند و مسیرهای تازه‌ای برای درک پویایی شکست ریسمان پیش روی ما قرار می‌دهند.
منبع: Scitechdaily
