بلدیت های پیشگامانه تعامل پیچیده بین مزارع ماده و نیرو را شبیه سازی می کنند

در مسابقه برای کشف عمیق ترین اسرار جهان ، محققان به سمت ابزارهای قدرتمند جدید روی می آورند. یکی از امیدوار کننده ترین ابزارها رایانه کوانتومی است. این راهی را برای کشف مشکلاتی ارائه می دهد که رایانه های عادی به سادگی نمی توانند آن را حل کنند. اکنون ، دانشمندان با استفاده از فناوری کوانتومی برای شبیه سازی تعامل پیچیده بین مزارع ماده و نیرو ، قدم بزرگی به جلو برداشته اند.

در قلب فیزیک مدرن یک نظریه بزرگ که به عنوان مدل استاندارد شناخته می شود نهفته است. این مدل بلوک های اصلی ساختمان را توصیف می کند – ذرات مانند الکترون ها و پوزیترون ها و نیروهایی که بین آنها عمل می کنند. این ذرات مانند توپ های ریز رفتار نمی کنند ، بلکه در عوض از قوانین عجیب و غریب به نام تئوری میدان کوانتومی پیروی می کنند.

میدان های کوانتومی ذرات و تعامل آنها را نشان می دهند. به عنوان مثال ، نیروی الکترومغناطیسی ذرات بار را در کنار هم نگه می دارد. این زمینه ها جهت و نقاط قوت مختلفی دارند ، دقیقاً مانند نقشه آب و هوا که جریان های باد را نشان می دهد. به دلیل پیچیدگی آنها ، شبیه سازی این زمینه های کوانتومی همیشه بسیار دشوار بوده است.

حتی پیشرفته ترین ابر رایانه های ما کوتاه می آیند. رایانه های کلاسیک ، از جمله مدل های کوانتومی امروز که فقط از دو حالت استفاده می کنند – صفر و یک – برای نشان دادن این زمینه ها. آنها به منابع عظیمی احتیاج دارند و هنوز هم نمی توانند تمام جزئیات را ضبط کنند. اینجاست که نوع جدیدی از رایانه کوانتومی قدم می زند.

در یک موفقیت بزرگ ، تیمی از دانشمندان به سرپرستی مارتین رینگبائر در اتریش و کریستین موسچیک در دانشگاه واترلو روش جدیدی را با استفاده از یک رایانه کوانتومی kdit ایجاد کردند. بر خلاف بیت های کوانتومی معمولی ، یا qubits ، که می تواند در دو حالت باشد ، بلکیت ها می توانند به طور هم زمان تا پنج مقدار را حفظ کنند. این فضای اضافی به دانشمندان این امکان را می دهد تا اطلاعات بیشتری را در ذرات کمتری ذخیره کنند.

مایکل مت ، نویسنده اصلی این مطالعه می گوید: “رویکرد ما یک نمایش طبیعی از زمینه های کوانتومی را امکان پذیر می کند ، که محاسبات را بسیار کارآمدتر می کند.”

محققان با استفاده از بلدیت ها با موفقیت یک تئوری کامل میدان کوانتومی را در دو بعد مکانی شبیه سازی کردند. این ممکن است فنی به نظر برسد ، اما این بدان معناست که آنها می توانند تماشا کنند که چگونه ذرات در یک فضای کوچک از فضای کوچک که بیشتر شبیه دنیای واقعی است – فقط یک خط ساده بلکه یک هواپیمای کامل است.

این دستاورد ، درهای مقابله با مشکلات بسیار بزرگتر و واقع بینانه در فیزیک ذرات را باز می کند. این همچنین اولین بار است که یک تئوری کامل کوانتومی در بیش از یک بعد بر روی یک کامپیوتر کوانتومی شبیه سازی می شود.

این شبیه سازی فقط از رفتار ذرات ساده مدل نمی کرد. همچنین شامل میدان های مغناطیسی بین ذرات ، بخش اصلی درک نحوه کار نیروها بود. در تلاش های قبلی ، محققان ذرات محدودی برای حرکت در یک مسیر واحد داشتند ، مانند مهره ها روی یک رشته. این روش فقط می تواند اثرات محدودی را نشان دهد.

اکنون ، با حرکت در دو بعد ، شبیه سازی رفتار غنی تری را نشان داد. رینگبائر می گوید: “علاوه بر رفتار ذرات ، ما هم اکنون زمینه های مغناطیسی را بین آنها مشاهده می کنیم.” “این تنها در صورتی وجود دارد که ذرات محدود به حرکت در یک خط نباشند و یک گام مهم را برای مطالعه طبیعت نزدیکتر می کند.”

این تیم از تکنیکی به نام Eigensolver کوانتومی متغیر استفاده کرد تا وضعیت زمین سیستم کوانتومی را تهیه کند. این یک اصطلاح فانتزی برای یافتن پیکربندی کمترین انرژی است-پایدارترین حالت که در آن ذرات تمایل به حل و فصل دارند. از این نقطه شروع ، آنها بررسی کردند که چگونه ذرات و میدان های زور با گذشت زمان تکامل یافتند.

محققان حتی قادر به مشاهده جفت های ذرات ذرات و اندازه گیری تغییرات در انرژی مغناطیسی بودند. اینها رویدادهای کلیدی در الکترودینامیک کوانتومی هستند ، نظریه ای که نحوه تعامل نور و ماده را توصیف می کند. آنها همچنین نشان دادند كه چگونه تغییر اندازه كودیت – چند مقادیر هر واحد كانتومی می تواند داشته باشد – بر نتیجه تأثیر گذاشت. این امر به آنها اجازه می دهد تا شبیه سازی را به خوبی تنظیم کرده و اثرات استفاده از سطوح مختلف جزئیات را کشف کنند.

آنچه این مطالعه را بسیار مهم می کند این است که چگونه راه را به سمت اکتشافات آینده نشان می دهد. دانشمندان بر این باورند که اضافه کردن فقط چند قطعه دیگر به آنها امکان می دهد فضای سه بعدی و حتی نیروهای قدرتمندتری مانند نیروی هسته ای قوی را کشف کنند. این نیرویی است که اتم ها را در کنار هم نگه می دارد و هنوز هم بسیاری از سؤالات بی پاسخ را در خود جای داده است.

رینگباوئر می گوید: “ما از پتانسیل رایانه های کوانتومی برای کمک به مطالعه این سؤالات جذاب هیجان زده هستیم.”

این تحقیق همچنین بر اساس کار قبلی انجام می شود. در سال 2016 ، این تیم نشان داد که می توانند با استفاده از یک مدل ساده ، جفت ذرات آنتی پیست را ایجاد کنند. اما این نسخه قبلی فقط اجازه حرکت در امتداد یک خط مستقیم را می داد. از بین بردن این محدودیت و اضافه کردن بعد دوم یک جهش بزرگ به جلو بود.

کریستین موسچیک بر اهمیت این مرحله تأکید می کند: “در آن تظاهرات ، ما با محدود کردن ذرات برای حرکت روی یک خط ، مسئله را ساده کردیم. حذف این محدودیت یک گام مهم برای استفاده از رایانه های کوانتومی برای درک تعامل ذرات اساسی است.”

پیامدهای این کار فقط فراتر از یک آزمایش است. این یک نقطه عطف در چگونگی شکل گیری رایانه های کوانتومی ممکن است تحقیقات آینده را نشان دهد. دانشمندان به جای تکیه فقط به زبمهای باینری ، اکنون آینده ای قدرتمند را در استفاده از کوییت ها می بینند – واحدهای Quantum که انعطاف پذیری و کارآیی بیشتری را ارائه می دهند.

بلکیت اندازه سیستم مورد نیاز برای شبیه سازی های پیچیده را کاهش می دهد. آنها همچنین پیچیدگی مدار را کاهش می دهند ، به این معنی که رایانه های کوانتومی با مراحل کمتری می توانند کارهای بیشتری انجام دهند. این کارایی برای دستگاه های کوانتومی نزدیک مدت بسیار مهم است ، که هنوز هم در اندازه و قابلیت اطمینان آنها با محدودیت روبرو هستند.

شبیه سازی جدید همچنین نشان می دهد که حتی سخت افزار کوانتومی محدود امروز نیز می تواند کارهای علمی معنی دار انجام دهد. محققان با طراحی هوشمندانه و الگوریتم های مناسب ، اکنون می توانند مشکلاتی را به وجود آورند که زمانی به نظر نمی رسید.

با ادامه این کار ، امید این است که بینش های عمیق تری را در مورد نیروهایی که همه چیز را شکل می دهند ، باز کنید – از کوچکترین ذرات تا ساختار خود جهان. شبیه سازی های کوانتومی مانند این ممکن است به حل اسرار دیرینه در مورد چگونگی شکل گیری ماده ، نحوه تعامل نیروها و اینکه چرا جهان به شکلی که انجام می دهد کمک کند.