جهاز محاكاة الكم يتصور تشابكًا واسع النطاق في المواد – عالم الفيزياء

اكتشف الفيزيائيون في النمسا طريقة سريعة وفعالة لاستخراج المعلومات حول بنية التشابك واسعة النطاق للمادة الكمومية، وذلك بفضل نظرية عمرها 50 عامًا من نظرية المجال الكمي. يمكن للطريقة الجديدة أن تفتح الأبواب في مجالات مثل المعلومات الكمومية، أو كيمياء الكم، أو حتى فيزياء الطاقة العالية.

التشابك الكمي هو ظاهرة يتم من خلالها تشفير المعلومات الموجودة في مجموعة من الجسيمات في ارتباطات فيما بينها. لا يمكن الوصول إلى هذه المعلومات عن طريق فحص الجسيمات بشكل فردي، وهي سمة أساسية لميكانيكا الكم، وهي سمة تميز الكم بوضوح عن العالم الكلاسيكي. فضلا عن كونه محوريا للحوسبة الكمومية والاتصالات الكمومية، فإن التشابك يؤثر بشكل كبير على خصائص فئة ناشئة من المواد الغريبة. وبالتالي فإن الفهم الأعمق لها يمكن أن يساعد العلماء على فهم وحل المشكلات في علم المواد، وفيزياء المواد المكثفة وما بعدها.

تكمن المشكلة في أن التعرف على التشابك الداخلي لعدد كبير من الجسيمات المتشابكة أمر صعب للغاية، نظرًا لأن تعقيد الارتباطات يتزايد بشكل كبير مع عدد الجسيمات. هذا التعقيد يجعل من المستحيل على الكمبيوتر الكلاسيكي محاكاة المواد المصنوعة من هذه الجسيمات. تعد أجهزة المحاكاة الكمومية مجهزة بشكل أفضل لهذه المهمة، لأنها يمكن أن تمثل نفس التعقيد الأسي للمادة المستهدفة التي تحاكيها. ومع ذلك، فإن استخراج خصائص تشابك المادة باستخدام التقنيات القياسية لا يزال يتطلب عددًا كبيرًا من القياسات.

محاكاة الكم

في طريقتهم الجديدة والأكثر كفاءة لتقييم قوة تشابك النظام، قام باحثون من جامعة إنسبروك ومعهد البصريات الكمومية والمعلومات الكمومية (IQOQI) القريب بتفسير قوة التشابك من حيث درجة الحرارة المحلية. في حين أن المناطق شديدة التشابك من المادة الكمومية تبدو "ساخنة" في هذه الطريقة، فإن المناطق ضعيفة التشابك تبدو "باردة". والأهم من ذلك، أن الشكل الدقيق لمجال درجة الحرارة المتغير محليًا هذا يتم التنبؤ به من خلال نظرية المجال الكمي، مما يمكّن الفريق من قياس ملامح درجة الحرارة بشكل أكثر كفاءة مما كان ممكنًا باستخدام الطرق السابقة.

لمحاكاة مادة كمومية متشابكة، استخدم فريق إنسبروك-IQOQI نظامًا مكونًا من 51 ⁴⁰Ca⁺ يتم الاحتفاظ بالأيونات في مكانها داخل حجرة مفرغة بواسطة المجال الكهربائي المتذبذب لجهاز يسمى مصيدة بول الخطية. يسمح هذا الإعداد بالتحكم في كل أيون بشكل فردي وقراءة حالته الكمومية بدقة عالية. يمكن للباحثين تحديد ملفات تعريف درجة الحرارة الصحيحة بسرعة عن طريق وضع حلقة تغذية مرتدة بين النظام وجهاز كمبيوتر (كلاسيكي) يقوم باستمرار بإنشاء ملفات تعريف جديدة ومقارنتها بالقياسات الفعلية في التجربة. ثم قاموا بإجراء قياسات لاستخراج خصائص مثل طاقة النظام. وأخيرًا، قاموا بدراسة البنية الداخلية لحالات النظام من خلال دراسة ملفات تعريف "درجة الحرارة"، والتي مكنتهم من تحديد التشابك.

المناطق الحارة والباردة

تُظهر ملفات درجة الحرارة التي حصل عليها الفريق أن المناطق التي ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالجسيمات المحيطة يمكن اعتبارها "ساخنة" (أي شديدة التشابك) وتلك التي تتفاعل قليلاً جدًا يمكن اعتبارها "باردة" (ضعيفة التشابك). وأكد الباحثون أيضًا، ولأول مرة، تنبؤات نظرية المجال الكمي التي تم تكييفها مع الحالات الأساسية (أو حالات درجات الحرارة المنخفضة) للمواد عبر نظرية بيسوجنانو-ويشمان، التي تم طرحها لأول مرة في عام 1975 كوسيلة لربط بعض تحويلات لورنتز. في الزمكان إلى التحولات في تهمة والتكافؤ والزمن. بالإضافة إلى ذلك، مكنتهم هذه الطريقة من تصور التقاطع من الحالات الأرضية ضعيفة التشابك إلى الحالات المثارة شديدة التشابك للمادة الكمومية.

رئيس الفريق بيتر زوليريقول، الذي يشغل مناصب في كل من إنسبروك وIQOQI، إن النتائج والتقنيات - البروتوكولات الكمومية التي تعمل على جهاز محاكاة كمي - المستخدمة للحصول عليها قابلة للتطبيق بشكل عام على محاكاة المواد الكمومية. ولهذا السبب، فهو يعتقد أن لها أهمية واسعة لعلوم وتكنولوجيا المعلومات الكمومية وكذلك المحاكاة الكمومية. يقول: "بالنسبة للتجارب المستقبلية، نرغب في القيام بذلك مع منصات أخرى وأنظمة نموذجية أكثر تعقيدًا/إثارة للاهتمام". عالم الفيزياء. "أدواتنا وتقنياتنا عامة جدًا."

يصبح التشابك ساخنًا وفوضويًا

مارسيلو دالمونتي، وهو فيزيائي في مركز عبد السلام الدولي للفيزياء النظرية في إيطاليا والذي لم يشارك في البحث، ويصف النتائج بأنها "رائد حقيقي". ومن وجهة نظره، فإن هذه الطريقة تنقل فهمنا القابل للاختبار تجريبيًا للتشابك إلى مستوى جديد من خلال الكشف عن تعقيده الكامل. ويعتقد أيضًا أن هذه التقنية ستحسن فهمنا للعلاقة بين التشابك والظواهر الفيزيائية، وهو متحمس لإمكانية استخدامها لحل الأسئلة الرئيسية في الفيزياء النظرية، مثل التوصل إلى فهم أفضل لبنية التشابك المشغل للحالات المختلطة. قد يكون هناك مجال آخر يمكن استكشافه وهو التشابك المتبادل بين قطع المادة، على الرغم من أن دالمونتي يضيف أن هذا سيتطلب المزيد من التحسينات على البروتوكول، بما في ذلك تعزيز قابليته للتوسع.

تم وصف البحث في الطبيعة.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/quantum-simulator-visualizes-large-scale-entanglement-in-materials/