סימולטור קוונטי מדמיין הסתבכות בקנה מידה גדול בחומרים - עולם הפיזיקה

סימולטור קוונטי מדמיין הסתבכות בקנה מידה גדול בחומרים - עולם הפיזיקה

חותמת זמן: 14 בדצמבר, 2023 5:07

איור אמן המציג זכוכית מגדלת תלויה על משטח אפור של חומר. חלקיקים בצבעים עזים - אדום, כחול, סגול וכתום, המייצגים טמפרטורות שונות - בוקעים מהחומר ועוברים דרך הזכוכית המגדלת
עד כמה זה מסובך? החוקרים השיגו פרופילי טמפרטורה של המערכת שלהם המראים שחלקיקים שמקיימים אינטראקציה חזקה הם "חמים" (אדומים) ואלה שמקיימים אינטראקציה מועטה הם "קרים" (כחולים). ההסתבכות היא הגדולה ביותר כאשר האינטראקציות חזקות. (באדיבות: הלן היינצר)

פיזיקאים באוסטריה מצאו דרך מהירה ויעילה להוציא מידע על מבנה ההסתבכות בקנה מידה גדול של חומר קוונטי הודות למשפט בן 50 שנים מתורת השדות הקוונטיים. השיטה החדשה יכולה לפתוח דלתות בתחומים כמו מידע קוונטי, כימיה קוונטית או אפילו פיזיקה באנרגיה גבוהה.

הסתבכות קוונטית היא תופעה לפיה המידע הכלול במכלול של חלקיקים מקודד בקורלציות ביניהם. לא ניתן לגשת למידע הזה על ידי בדיקה של החלקיקים בנפרד, וזהו תכונה חיונית של מכניקת הקוונטים, כזו שמבדילה בבירור את הקוונטים מהעולם הקלאסי. בנוסף להיותה מרכזית עבור מחשוב קוונטי ותקשורת קוונטית, הסתבכות משפיעה מאוד על המאפיינים של מעמד מתפתח של חומרים אקזוטיים. הבנה מעמיקה יותר שלו יכולה אפוא לעזור למדענים להבין ולפתור בעיות במדעי החומרים, בפיסיקה של החומר המעובה ומעבר לכך.

הבעיה היא שלמד על ההסתבכות הפנימית של מספר רב של חלקיקים הסתבכו הוא קשה ידוע לשמצה, שכן מורכבות המתאמים גדלה באופן אקספוננציאלי עם מספר החלקיקים. המורכבות הזו מאפשרת למחשב קלאסי לדמות חומרים העשויים מחלקיקים כאלה. סימולטורים קוונטיים מצוידים טוב יותר למשימה זו, מכיוון שהם יכולים לייצג את אותה מורכבות אקספוננציאלית כמו חומר המטרה שהם מדמים. עם זאת, חילוץ תכונות ההסתבכות של חומר בטכניקות סטנדרטיות עדיין דורש מספר רב של מדידות.

סימולטור קוונטי

בשיטה החדשה והיעילה יותר שלהם להערכת עוצמת ההסתבכות של מערכת, חוקרים מאוניברסיטת אינסברוק והמכון הסמוך לאופטיקה קוונטית ומידע קוונטי (IQOQI) פירשו את חוזק ההסתבכות במונחים של טמפרטורה מקומית. בעוד אזורים מסובכים מאוד של החומר הקוונטי נראים "חמים" בשיטה זו, אזורים מסובכים חלש נראים "קרים". באופן מכריע, הצורה המדויקת של שדה טמפרטורות משתנה מקומי זה נחבאת על ידי תורת השדות הקוונטיים, מה שמאפשר לצוות למדוד פרופילי טמפרטורה בצורה יעילה יותר ממה שהיה אפשרי בשיטות קודמות.

כדי לדמות חומר קוונטי מסתבך, צוות אינסברוק-IQOQI השתמש במערכת של 51 40Ca+ יונים המוחזקים במקומם בתוך תא ואקום על ידי השדה החשמלי המתנודד של מכשיר הנקרא מלכודת פול ליניארית. הגדרה זו מאפשרת לשלוט בנפרד על כל יון ולהקריא את המצב הקוונטי שלו בדיוק גבוה. החוקרים יכלו לקבוע במהירות את פרופילי הטמפרטורה הנכונים על ידי הצבת לולאת משוב בין המערכת לבין מחשב (קלאסי) שמייצר כל הזמן פרופילים חדשים ומשווה אותם עם המדידות בפועל בניסוי. לאחר מכן הם ביצעו מדידות כדי לחלץ תכונות כמו האנרגיה של המערכת. לבסוף, הם חקרו את המבנה הפנימי של מצבי המערכת על ידי לימוד פרופילי ה"טמפרטורה", שאפשרו להם לקבוע את ההסתבכות.

אזורים חמים וקרים

פרופילי הטמפרטורה שהצוות השיג מראים כי אזורים בעלי מתאם חזק עם החלקיקים הסובבים יכולים להיחשב "חמים" (כלומר, סבוכים מאוד) ואלה שמקיימים אינטראקציה מעטה מאוד יכולים להיחשב "קרים" (מסובכים בצורה חלשה). החוקרים גם אישרו, לראשונה, תחזיות של תורת השדות הקוונטיים כמותאמות למצבי קרקע (או מצבי טמפרטורות נמוכות) של חומרים באמצעות משפט Bisognano-Wichmann, שהועלה לראשונה ב-1975 כדרך לקשר טרנספורמציות מסוימות של לורנץ. במרחב-זמן לתמורות במטען, זוגיות וזמן. בנוסף, השיטה אפשרה להם לדמיין את ההצלבה ממצבי קרקע מסובכים חלשים למצבים נרגשים מאוד של החומר הקוונטי.

מנהיג קבוצה פיטר זולר, שמחזיק בתפקידים הן באינסברוק והן ב-IQOQI, אומר שהתוצאות והטכניקות - פרוטוקולים קוונטיים הפועלים על סימולטור קוונטי - המשמשים להשגתן ישימים בדרך כלל לסימולציה של חומרים קוונטיים. מסיבה זו, הוא מאמין שיש להם חשיבות רחבה עבור מדע וטכנולוגיה של מידע קוונטי כמו גם הדמיית קוונטים. "עבור ניסויים עתידיים [נרצה] לעשות זאת עם פלטפורמות אחרות ומערכות מודל מסובכות/מעניינות יותר", הוא אומר עולם הפיזיקה. "הכלים והטכניקות שלנו מאוד כלליים."

מרצ'לו דלמונטה, פיזיקאי במרכז הבינלאומי לפיזיקה תיאורטית של עבדוס סלאם באיטליה שלא היה מעורב במחקר, מכנה את התוצאות "פורצת דרך אמיתית". לדעתו, השיטה מביאה את ההבנה הניתנת לבדיקה ניסיוני של הסתבכות לרמה חדשה על ידי חשיפת המורכבות המלאה שלה. הוא גם חושב שהטכניקה תשפר את הבנתנו את הקשר בין הסתבכות לתופעות פיזיקליות, והוא נרגש מהאפשרות להשתמש בה כדי לפתור שאלות מפתח בפיסיקה תיאורטית, כמו הגעה להבנה טובה יותר של מבנה ההסתבכות של המפעיל למצבים מעורבים. תחום נוסף שניתן לחקור עשוי להיות ההסתבכות ההדדית בין גושי חומר, אם כי דלמונטה מוסיף כי הדבר ידרוש שיפורים נוספים בפרוטוקול, כולל הגברת המדרגיות שלו.

המחקר מתואר ב טבע.

בול זמן:

עוד מ עולם הפיזיקה