ساخت یک بُعد اضافی از زمان بوسیله انفجار اتم‌ها با لیزر فیبوناچی

به گزارش مجله خبری نگار، و به نقل از اسپیس، فیزیکدانان با شلیک پرتوی لیزر فیبوناچی به اتم‌های درون یک رایانه کوانتومی، فاز کاملاً جدید و عجیبی از ماده ایجاد کرده‌اند که به گونه‌ای رفتار می‌کند که گویی دارای دو بُعد زمانی است.

این فاز جدید ماده با استفاده از لیزر برای تکانش ریتمیک رشته‌ای از ۱۰ یون ایتربیوم ایجاد شده است و دانشمندان را قادر می‌سازد تا اطلاعات را به روشی بسیار محافظت شده در برابر خطا‌ها ذخیره کنند، در نتیجه مسیر را برای رایانه‌های کوانتومی باز می‌کند که می‌توانند داده‌ها را برای مدت طولانی بدون مخدوش شدن نگه دارد.

"فیلیپ دومیترسکو" نویسنده اصلی و محقق مرکز فیزیک کوانتومی محاسباتی موسسه "فلاتیرون" در شهر نیویورک در بیانیه‌ای گفت: گنجاندن یک بُعد زمانی اضافی نظری، روشی کاملاً متفاوت برای تفکر در مورد فاز‌های ماده است. من بیش از پنج سال است که روی این ایده‌های نظری کار می‌کنم و دیدن اینکه آن‌ها در آزمایش‌ها عملی می‌شوند، هیجان‌انگیز است.

فیزیکدانان به دنبال ایجاد فازی با بعد زمان اضافی و همچنین به دنبال روشی برای ذخیره سازی بهتر داده‌های کوانتومی نبودند. در عوض آن‌ها علاقه‌مند به ایجاد فاز جدیدی از ماده بودند؛ شکل جدیدی که ماده می‌تواند در آن فراتر از حالت جامد، مایع، گاز و پلاسما وجود داشته باشد.

آن‌ها تصمیم گرفتند فاز یا حالت جدید را در پردازنده کوانتومی H ۱ شرکت کامپیوتر‌های کوانتومی "کوانتینیوم" (Quantinuum) بسازند که از ۱۰ یون ایتربیوم در یک محفظه خلاء تشکیل شده است که دقیقاً توسط لیزر در دستگاهی به نام "تله یونی" کنترل می‌شود.

کامپیوتر‌های معمولی از بیت‌ها یا صفر و یک برای تشکیل پایه همه محاسبات استفاده می‌کنند، اما کامپیوتر‌های کوانتومی برای استفاده از کیوبیت‌ها طراحی شده‌اند که می‌توانند همزمان در حالت صفر یا یک وجود داشته باشند. کیوبیت‌ها به لطف قوانین عجیب و غریب دنیای کوانتومی می‌توانند در ترکیب یا برهم نهی از هر دو حالت صفر و یک تا لحظه اندازه‌گیری وجود داشته باشند که بر اساس آن به طور تصادفی به صفر یا یک فرو می‌روند.

این رفتار عجیب، کلید قدرت محاسبات کوانتومی است، زیرا به کیوبیت‌ها اجازه می‌دهد از طریق درهم‌تنیدگی کوانتومی به یکدیگر متصل شوند. درهم‌تنیدگی کوانتومی فرآیندی است که "آلبرت اینشتین" آن را "عمل شبح‌وار در فاصله" نامید.

درهم‌تنیدگی، دو یا چند کیوبیت را با یکدیگر جفت می‌کند و ویژگی‌های آن‌ها را به هم متصل می‌کند، به طوری که هر تغییری در یک ذره، حتی اگر با فواصل بسیار زیادی از هم جدا شوند، موجب تغییر در ذره دیگر می‌شود. این ویژگی به رایانه‌های کوانتومی این توانایی را می‌دهد که چندین محاسبه را به طور همزمان انجام دهند و به طور تصاعدی قدرت پردازش آن‌ها را نسبت به دستگاه‌های کلاسیک افزایش دهند.

اما توسعه رایانه‌های کوانتومی با یک نقص بزرگ مواجه است؛ کیوبیت‌ها فقط با یکدیگر تعامل نمی‌کنند و درگیر می‌شوند. از آنجایی که آن‌ها نمی‌توانند کاملاً از محیط خارج از رایانه کوانتومی جدا شوند، با محیط بیرون نیز تعامل دارند و در نتیجه باعث می‌شوند که خصوصیات کوانتومی خود و اطلاعاتی را که حمل می‌کنند در فرآیندی به نام "ناهمدوسی" (decoherence) از دست بدهند.

ناهمدوسی کوانتومی از دست دادن همدوسی کوانتومی است. در مکانیک کوانتومی، ذرات مانند الکترون توسط یک تابع موج که یک توصیف ریاضی حالت کوانتومی یک سیستم است، توصیف می‌شوند. طبیعت احتمالی تابع موج باعث به وجود آمدن اثرات کوانتومی مختلف می‌شود. تا زمانی که رابطه قابل تعریف بین فاز و حالت‌های مختلف این سیستم وجود دارد، این سیستم همدوس است. همدوسی خاصیت بنیادی مکانیک کوانتومی و برای عملکرد کامپیوتر‌های کوانتومی لازم است. اما هنگامی که یک سیستم کوانتومی کاملاً ایزوله نباشد و در تماس با محیط اطراف خود باشد، این همدوسی با زمان از بین می‌رود که به آن ناهمدوسی کوانتومی می‌گویند و به عنوان یک نتیجه از این روند، رفتار کوانتومی مربوطه از بین می‌رود.

ناهمدوسی را می‌توان به عنوان از دست دادن اطلاعات یک سیستم به محیط تلقی کرد. از آنجا که هر سیستم آزادانه با حالت‌های انرژی محیط اطرافش جفت می‌شود. این اثر موجب اشتراک گذاری اطلاعات کوانتومی یا انتقال آن به محیط پیرامون می‌شود.

"دومیترسکو" می‌گوید: حتی اگر تمام اتم‌ها را تحت کنترل شدید نگه دارید، آن‌ها می‌توانند حالت کوانتومی خود را با تعامل با محیط خود مانند گرم شدن یا تعامل با چیز‌هایی که شما برنامه‌ریزی نکرده‌اید، از دست بدهند.

فیزیکدانان برای دور زدن این اثرات ناهمدوسی مزاحم و ایجاد یک فاز جدید و پایدار، به مجموعه خاصی از فاز‌ها به نام فاز‌های توپولوژیکی نگاه کردند. درهم‌تنیدگی کوانتومی نه تنها دستگاه‌های کوانتومی را قادر می‌سازد تا اطلاعات را در موقعیت‌های تکی و استاتیک کیوبیت‌ها رمزگذاری کنند، بلکه آن‌ها را در حرکات دینامیکی و برهم‌کنش‌های کل ماده در شکل یا توپولوژی حالت‌های درهم‌تنیده ماده در هم می‌بافد. این کار یک "کیوبیت توپولوژیکی" ایجاد می‌کند که اطلاعات را به جای یک قسمت به تنهایی، به شکلی که توسط چندین قسمت تشکیل شده است، رمزگذاری می‌کند و باعث می‌شود اطلاعات بسیار کمتر از دست برود.

یکی از ویژگی‌های بارز حرکت از یک فاز به فاز دیگر، شکستن تقارن‌های فیزیکی و این ایده است که قوانین فیزیک برای یک جسم در هر نقطه از زمان یا مکان یکسان است. مولکول‌های موجود در آب به عنوان یک مایع از قوانین فیزیکی یکسانی در هر نقطه از فضا و در هر جهت پیروی می‌کنند، اما اگر آب را به اندازه‌ای سرد کنید که به یخ تبدیل شود، مولکول‌های آن نقاط منظمی را در امتداد یک ساختار بلوری یا شبکه‌ای انتخاب می‌کنند تا خود را در عرض مرتب کنند. ناگهان مولکول‌های آب نقاطی را در فضا ترجیح می‌دهند تا آن‌ها را اشغال کنند و بقیه نقاط را خالی می‌گذارند و بدین ترتیب، تقارن فضایی آب به طور خود به خود شکسته شده است.

ایجاد یک فاز توپولوژیکی جدید درون یک کامپیوتر کوانتومی نیز به شکست تقارن متکی است، اما با این مرحله جدید، تقارن در فضا شکسته نمی‌شود، بلکه در زمان شکسته می‌شود.

فیزیکدانان با دادن یک تکانش دوره‌ای به هر یون در زنجیره با لیزر می‌خواستند تقارن زمانی پیوسته یون‌ها را در حالت سکون بشکنند و تقارن زمانی خود را - جایی که کیوبیت‌ها در فواصل زمانی معینی یکسان می‌مانند - تحمیل کنند که این تقارن را ایجاد کند و یک فاز توپولوژیکی ریتمیک در سراسر مواد ایجاد شود.

اما این آزمایش شکست خورد. پرتو‌های لیزری منظم به جای القای فاز توپولوژیکی که در برابر اثرات ناهمدوسی مصون بود، نویز خارج از سیستم را تقویت کرد و کمتر از ۱.۵ ثانیه پس از روشن شدن آن را از بین برد.

محققان پس از بررسی مجدد آزمایش متوجه شدند که برای ایجاد یک فاز توپولوژیکی قوی‌تر، باید بیش از یک بار تقارن را به رشته یونی گره بزنند تا احتمال به هم خوردن سیستم کاهش یابد. آن‌ها برای انجام این کار، به یافتن یک الگوی پرتویی که به سادگی و به طور منظم تکرار نمی‌شد، اما با این وجود نوعی تقارن بالاتر در طول زمان را نشان می‌داد، متوسل شدند.

این موضوع، آن‌ها را به سمت دنباله فیبوناچی هدایت کرد که در آن عدد بعدی در دنباله با اضافه کردن دو مورد قبلی ایجاد می‌شود. در حالی که یک پرتوی لیزر دوره‌ای ساده ممکن است فقط بین دو منبع لیزر، متبادل شود، قطار پرتو‌های جدید در عوض با ترکیب دو پرتوی قبلی منتشر می‌شدند.

این ضربان فیبوناچی یک تقارن زمانی ایجاد کرد که درست مانند یک شِبه‌بلور در فضا، بدون تکرار مرتب شد و درست مانند یک شبه‌بلور یا شبه‌کریستال، پرتو‌های فیبوناچی نیز یک الگوی بُعدی بالاتر را روی یک سطح با بُعد پایین‌تر می‌کوبند. در مورد یک شبه‌بلور فضایی باید گفت که برشی از یک شبکه پنج بعدی بر روی یک سطح دو بعدی قرار می‌گیرد. وقتی به الگوی پرتوی فیبوناچی نگاه می‌کنیم، می‌بینیم که دو تقارن زمانی نظری به یک تقارن فیزیکی منفرد تبدیل می‌شوند.

محققان می‌گویند: این سیستم اساساً از یک بُعد زمان اضافی که وجود ندارد، یک تقارن به عنوان پاداش دریافت می‌کند. این سیستم به عنوان ماده‌ای ظاهر می‌شود که حتی اگر شاید در واقعیت از نظر فیزیکی غیرممکن باشد، در بعد بالاتری با دو بعد زمان وجود دارد.

هنگامی که تیم این سیستم را آزمایش کرد، پالس فیبوناچی شبه‌تناوبی جدید یک فاز توپوگرافی ایجاد کرد که سیستم را از از دست دادن داده‌ها در تمام ۵.۵ ثانیه طول آزمایش محافظت می‌کرد. در واقع، آن‌ها مرحله‌ای را ایجاد کرده بودند که برای مدت طولانی‌تری نسبت به سایرین در برابر ناهمدوسی مصون بود.

"دومیترسکو" گفت: با این توالی شبه‌تناوبی، یک تکامل پیچیده به وجود می‌آید که تمام خطا‌هایی را که محتمل هستند، از بین می‌برد. به همین دلیل، سیستم از نظر مکانیک کوانتومی بسیار بسیار بیشتر از آنچه انتظار دارید، همدوس باقی می‌ماند.

اگرچه فیزیکدانان به هدف خود دست یافتند، اما یک مانع برای این تبدیل فاز آن‌ها به ابزاری مفید برای برنامه‌نویسان کوانتومی باقی مانده است و آن، ادغام آن با بخش محاسبات کوانتومی به طوری است که بتوان آن را در محاسبات وارد کرد.

"دومیترسکو" می‌گوید: ما این کاربرد مستقیم و وسوسه‌انگیز را داریم، اما باید راهی پیدا کنیم تا آن را به محاسبات متصل کنیم. این یک مشکل است که ما روی آن کار می‌کنیم.

این مطالعه در مجله نیچر (Nature) منتشر شده است.