يشير تأثير Quantum Mpemba إلى أجهزة كمبيوتر كمومية أسرع – عالم الفيزياء

يشير تأثير Quantum Mpemba إلى أجهزة كمبيوتر كمومية أسرع – عالم الفيزياء

الطابع الزمني: 13 سبتمبر 2023 11:00 صباحًا

رسم كاريكاتوري يظهر قطتين تبدأان عند درجات حرارة عالية مختلفة قليلاً، ثم بعد فترة من الوقت (ممثلة بساعة)، تصبح القطة الأكثر نشاطًا في البداية أكثر استرخاءً (الاستلقاء والغفوة)، في حين أن القطة الأقل نشاطًا في البداية تكون مسترخية إلى حد ما. (الاستلقاء)
قطتان باردتان: نظامان من النقاط الكمومية متصلان بحمام حراري (ممثلتان هنا بالقطط)، أحدهما يتدفق تيارًا والآخر في حالة توازن، ويختبران "العبور" بينما تسترخي النقطة الكمومية باتجاه ثابت ولاية. (الصورة مقدمة من: كيوتو يو/ هيساو هاياكاوا)

عندما سأل التلميذ التنزاني إيراستو مبيمبا أحد المحاضرين الزائرين عن السبب الذي يجعل الماء الساخن يتجمد بشكل أسرع من الماء البارد، لم يكن بوسعه أن يخمن أن ملاحظته ــ التي أدلى بها أثناء صنع الآيس كريم ــ من شأنها أن تلفت انتباه بعض أعظم علماء الفيزياء في العالم. الظاهرة معروف الآن مثل تأثير مبيمبا، لكن المتغيرات منه حيرت الفلاسفة والفيزيائيين منذ أيام أرسطو، وقد تمت ملاحظتها لاحقًا في سياقات أخرى، بما في ذلك الأنظمة المغناطيسية التي تعرض مقاومة مغناطيسية هائلة و حبات غروانية تتساقط عبر مسار الملقط البصري.

وقد أضاف ثلاثة باحثين في اليابان الآن إلى هذه القائمة من خلال إظهار تأثير مبيمبا نظريًا في نظام كمي بسيط. قد تشير النتيجة إلى طرق لجعل أجهزة الكمبيوتر الكمومية أكثر كفاءة، على الرغم من كونها عضوًا في الفريق هيساو هاياكاوا يحذر من أنه الأيام الأولى. ويقول: "حتى الآن، ليس لدينا الكثير من التجارب حول تأثير مبيمبا الكمي". عالم الفيزياء.

تعريف الكم

لقد كانت طبيعة تأثير مبيمبا موضع جدل كبير، مع ظهور أسئلة ليس فقط حول آلياته وشروطه الأولية المطلوبة، بل حتى حول تعريفه. هل يكمن التسريع في الوقت المستغرق لبدء التجميد (أو أي تغيير آخر في المرحلة)؟ هل يجب أن تكون مرحلة التغيير كاملة؟ أم أن العامل المهم هو مجرد الوقت الذي يستغرقه النظام ليغوص تحت درجة الحرارة التي يتوقع عندها تغير الطور؟

وفي العمل الأخير، هاياكاوا وزميله في جامعة كيوتو أميت كومار تشاترجي، معا مع ساتوشي تاكادا من جامعة طوكيو للزراعة والتكنولوجيا، حددوا تأثير مبيمبا من حيث التقاطع في الكمية التي كانوا يراقبونها. في الماء، يحدث هذا العبور عندما "تتقاطع" درجة حرارة السائل الأكثر سخونة، والذي يبرد بشكل أسرع، مع درجة حرارة السائل البارد، مما يحول السائل الأكثر سخونة سابقًا إلى السائل الأكثر برودة.

بالنسبة إلى تشاترجي وهياكاوا وتاكادا، حدث هذا العبور في نظام نموذجي يتكون من نقطة كمومية متصلة بخزانين يعملان كمشتتات حرارية (وهو الدور الذي لعبه الفريزر في تأثير مبيمبا الأصلي القائم على الآيس كريم). يبدأ الخزانان عند نفس درجة الحرارة، مع الاختلاف في ظروف البداية التي توفرها الإمكانات الكيميائية للخزانين، والتي يمكن أن تكون متساوية (تشير إلى التوازن) أو لا. بعد ذلك، قام الثلاثي بوصف حالة النقطة الكمومية، ولاحظوا ما إذا كانت تحتوي على إلكترونين لهما دوران كمي متعارض، أو إلكترون واحد يدور إما لأعلى أو لأسفل، أو لا يوجد إلكترونات على الإطلاق. حددت هذه الحالات المحتملة معًا معاملًا يمكنها تتبعه عندما يسترخي النظام، أو يحقق التوازن - أي ما يعادل تبريد الآيس كريم لدرجة حرارة الثلاجة الموجودة فيه.

عندما تسترخي النقطة الكمومية، يوضح هاياكاوا أن ديناميكياتها -أي كيفية تطور حالتها- "تتذكر الحالة الأولية". بمعنى آخر، يكون الاسترخاء أسرع عندما لا تكون الخزانات في حالة توازن في البداية، وتتجاوز المعلمة المتتبعة في ظروف بداية التوازن تلك الخاصة بنظيرتها غير المتوازنة - تأثير مبيمبا أثناء العمل.

دور الاستقرار

أحد العوامل المعقدة في تأثير مبيمبا الأصلي هو أن الماء مادة معقدة يمكن أن توجد في حالات شبه مستقرة. فكر في هذه الحالات وكأنها كرسي في غرفة يشغلها شخص منهك. عند رؤية الكرسي، من المحتمل أن يتخبط الشخص المرهق عليه، ثم يستلقي على الأرض بعد ذلك للاسترخاء التام. ومع ذلك، إذا لم يكن الكرسي موجودًا، فمن المحتمل أن يستلقي الشخص المرهق على الفور ويصل إلى حالة الاسترخاء التام بشكل أسرع بكثير.

لقد تم التركيز كثيرًا على هذه الحالات شبه المستقرة، وخلصت العديد من الدراسات إلى أن طريق الاسترخاء الأبطأ هذا هو الذي يحرك تأثير مبيمبا. ومع ذلك، فإن نظام النقاط الكمومية لا يحتوي على حالات شبه مستقرة. علاوة على ذلك، أشار تحليل الفريق إلى أن الدور المشترك لطرق الاسترخاء الأسرع هو الذي حدد التأثير، وهي مفاجأة كبيرة.

يقول تشاترجي عالم الفيزياء أنه في حين أن قابلية الاستقرار قد تكون «كافية في بعض الأنظمة»، فإن نظام النقاط الكمومية المبسط الخاص بها يكشف عن «نوع آخر من الشروط الكافية». ويشير إلى أن الدراسات حتى الآن لم تحدد بعد الشروط أو المتطلبات التي يمكن تطبيقها عالميًا، على الرغم من أن ذلك قد يأتي. يقول: "أعتقد أن المجتمع بأكمله يحاول إيجاد آليات مختلفة لرؤية تأثير مبيمبا الكمي".

تصبح الأمور رائعة

حرصًا منهم على معرفة ما إذا كان بإمكانهم إثبات تأثير مبيمبا بطريقة تشبه التأثير الأصلي، حدد الباحثون درجة حرارة نظامهم. وبما أن هذا النظام الكمي يفتقر إلى تريليونات الجزيئات ذات الخصائص المجمعة ذات المعنى إحصائيًا والتي تؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة في العالم الكلاسيكي، يشير هاياكاوا إلى أن "تعريف درجة الحرارة دقيق للغاية". في الواقع، هناك عدة طرق لترجمة الحالات الكمومية إلى درجة حرارة، كل منها تنتج معاملات لها سلوكها الدقيق الخاص.

في هذه الحالة، اختار الباحثون استخدام درجة حرارة محددة بنسبة التغيرات – المشتق الجزئي – في الطاقة وكمية تسمى إنتروبيا فون نيومان. الإنتروبيا هي كمية زلقة أخرى للأنظمة الكمومية، لكن إنتروبيا فون نيومان ترتبط بشكل تقليدي بالحالات المحتملة للنقطة الكمومية. وباستخدام هذا التعريف، تمكن الفريق أيضًا من إثبات تأثير مبيمبا.

جون بشوفر، عالم الفيزياء في جامعة سيمون فريزر في كندا والذي قاد التجربة توضيح تأثير مبيمبا في المادة الغروية باستخدام الملقط البصري في عام 2020، يشير إلى أنه كانت هناك بعض الأعمال السابقة حول "تأثيرات مبيمبا الكمومية"، ويعترف فريق كيوتو-طوكيو بذلك. ومع ذلك، يضيف بيتشهوفر أن هذه الدراسات السابقة ركزت على أنواع مختلفة من الاسترخاء لتحقيق التوازن، على سبيل المثال في المغنطة. يقول بيتشهوفر: "إنه لأمر مُرضٍ للغاية أن نرى التأثير "الأصلي" متوقعًا أيضًا في الأنظمة الكمومية البسيطة إلى حد ما، وآمل أن تلهم هذه الورقة البحثية في الأبحاث التجريبية في الأنظمة الكمومية في العالم الحقيقي". عالم الفيزياء.

ويخطط تشاترجي وهياكاوا وتاكادا الآن للنظر في الروابط المحتملة بين النتائج التي توصلوا إليها حدود السرعة الكمومية، والتي تنبع من مبدأ عدم اليقين وتضع قيودًا على مدى سرعة تغير النظام الكمي من حالة إلى أخرى. على الرغم من أنه لم يتمكن أحد حتى الآن من تحديد هذا الارتباط، إلا أن حدود السرعة الكمومية ومعدلات الاسترخاء قد تؤثر على تشغيل أجهزة الكمبيوتر الكمومية، التي تحتاج إلى الوصول إلى حالات الاسترخاء بسرعة لمعالجة المعلومات في الوقت المناسب.

تم الإبلاغ عن النتائج في استعراض للحروف البدنية.

الطابع الزمني:

اكثر من عالم الفيزياء