تینا مزدکی_در پیشرفتی چشمگیر در حوزه فیزیک کوانتومی، یک پردازنده کوانتومی موفق به آشکارسازی فاز عجیب و پیش‌تر مشاهده‌نشده‌ای از ماده شده است. این کشف که در همکاری میان دانشگاه فنی مونیخ (TUM)، دانشگاه پرینستون و تیم Google Quantum AI انجام گرفته، نشان می‌دهد که رایانه‌های کوانتومی می‌توانند نقشی فراتر از محاسبات داشته باشند و به آزمایشگاه‌هایی برای کشف ویژگی‌های بنیادین طبیعت بدل شوند.

فازهای ماده، شکل‌های اساسی هستند که مواد می‌توانند به خود بگیرند؛ مانند حالاتی که آب به صورت مایع یا یخ وجود دارد. در تعریف سنتی، دانشمندان این فازها را در حالت تعادل بررسی می‌کنند، یعنی زمانی که یک سیستم در گذر زمان پایدار باقی می‌ماند. اما طبیعت تنها به تعادل محدود نیست و در شرایطی که سیستم از حالت تعادل خارج می‌شود، فازهای غیرمعمول و گذرا می‌توانند پدید آیند. در مطالعه‌ای تازه که در مجله‌ی Nature منتشر شده، پژوهشگران نشان داده‌اند که رایانه‌های کوانتومی بستری منحصربه‌فرد برای بررسی این اشکال عجیب از ماده فراهم می‌کنند.

فازهای کوانتومی خارج از تعادل

برخلاف فازهای متعارف، فازهای کوانتومی خارج از تعادل با رفتار دینامیکی و وابسته به زمان شناخته می‌شوند؛ ویژگی‌هایی که با قوانین ترمودینامیک کلاسیک قابل توضیح نیستند. یکی از غنی‌ترین دسته‌های این فازها در سامانه‌های فلوکه (Floquet systems) شکل می‌گیرد؛ یعنی سامانه‌های کوانتومی که در معرض تحریک‌های دوره‌ای خارجی قرار می‌گیرند. این تحریک‌های منظم می‌توانند الگوهای جدیدی از نظم را پدید آورند که در حالت تعادل وجود ندارند و پدیده‌هایی را آشکار کنند که فراتر از محدوده‌ی فازهای معمول ماده‌اند.

در این پژوهش، تیم مشترک دانشگاه مونیخ، پرینستون و گوگل با استفاده از پردازنده‌ی ابررسانای ۵۸ کیوبیتی، موفق به ایجاد فاز توپولوژیک فلوکه شدند؛ حالتی از ماده که سال‌ها تنها به‌صورت نظری پیش‌بینی شده بود و تاکنون هرگز به شکل تجربی مشاهده نشده بود.

پژوهشگران توانستند حرکات جهت‌دار در لبه‌های این فاز را به‌طور مستقیم مشاهده کنند و برای بررسی ویژگی‌های توپولوژیکی آن، الگوریتم تداخل‌سنجی (interferometric algorithm) جدیدی توسعه دادند. با استفاده از این ابزارها، آن‌ها شاهد «تبدیل دینامیکی ذرات عجیب» بودند؛ پدیده‌ای که به عنوان یکی از نشانه‌های کلیدی این فازهای غیرمعمول پیش‌بینی شده بود.

رایانه کوانتومی به‌عنوان آزمایشگاه ماده‌ نو

ملیسا ویل، دانشجوی دکترای فیزیک در دانشگاه فنی مونیخ و نویسنده‌ی اول مقاله می‌گوید: «فازهای کوانتومی بسیار درهم‌تنیده و خارج از تعادل، به‌سختی با رایانه‌های کلاسیک قابل شبیه‌سازی هستند. نتایج ما نشان می‌دهد که پردازنده‌های کوانتومی تنها ابزارهای محاسباتی نیستند؛ آن‌ها پلتفرم‌های آزمایشگاهی قدرتمندی برای کشف و مطالعه‌ی حالت‌های کاملاً جدیدی از ماده‌اند.»

این پژوهش دری را به روی عصر تازه‌ای از شبیه‌سازی کوانتومی می‌گشاید؛ عصری که در آن، رایانه‌های کوانتومی به عنوان آزمایشگاه‌هایی برای کاوش در قلمرو وسیع و ناشناخته‌ی ماده‌ی کوانتومی خارج از تعادل عمل می‌کنند. دستاوردهای حاصل از این مطالعات می‌تواند پیامدهای گسترده‌ای در درک فیزیک بنیادی و طراحی فناوری‌های نسل آینده‌ی کوانتومی داشته باشد.

منبع: scitechdaily

۵۸۳۲۳