تعریف ساختار جدید برای فوتون‌ها با کمک هوش مصنوعی کوانتومی

محققان با استفاده از یک هوش مصنوعی کوانتومی، فوتون های ریزموج را به طور غیرمعمولی چسبیده به هم قرار دادند.

به گزارش تکناک، پس از واداشتن آنها به جمع شدن در حالت های مقید، آنها دریافتند که این خوشه های فوتونی در رژیمی زنده مانده اند که انتظار می رود در حالت های معمولی و انفرادی خود از هم پاشیده شوند.

از آنجایی که این یافته برای اولین بار بر روی یک پردازنده کوانتومی انجام شد، نشان دهنده نقش رو به رشدی است که این پلتفرم ها در مطالعه دینامیک کوانتومی ایفا می کنند.

فوتون ها بسته های کوانتومی از تابش الکترومغناطیسی مانند نور یا امواج مایکروویو هستند و معمولاً با یکدیگر تعامل ندارند. به عنوان مثال، دو پرتو نور از چراغ قوه متقاطع بدون مزاحمت از یکدیگر عبور می کنند. با این حال، فوتون‌های ریزموج را می‌توان به صورت متقابل در هر آرایه‌ای از کیوبیت‌های ابررسانا به کار برد.

محققان هوش مصنوعی کوانتومی گوگل چگونگی مهندسی این وضعیت غیرعادی در تشکیل حالت‌های محکم مقید فوتون‌های متقابل را در مقاله ای که در ۷ دسامبر در مجله Nature منتشر شد، توضیح می‌دهند.

آنها حلقه ای از 24 کیوبیت ابررسانا را بررسی کردند که می توانست میزبان فوتون های ریزموج باشد. با اعمال دروازه‌های کوانتومی به جفت کیوبیت‌های همسایه، فوتون‌ها می‌توانند با پرش بین مکان‌های همسایه و تعامل با فوتون‌های مجاور به اطراف سفر کنند.

برهم کنش بین فوتون ها بر وضعیتی که ما آن را فاز می نامیم تأثیر گذاشت. فاز، نوسانات تابع موج فوتون را دنبال می کند. هنگامی که فوتون ها برهم کنش ندارند، تجمع فاز آنها نسبتاً جالب نیست. مانند یک گروه کر که به خوبی تمرین شده است، همه آنها با یکدیگر هماهنگ هستند.

در این حالت، فوتونی که در ابتدا در کنار فوتون دیگری قرار داشت، می‌تواند بدون تغییر هماهنگی، از همسایه خود دور شود. همانطور که هر فرد در گروه کر به آهنگ کمک می کند، هر مسیر محتملی که فوتون می تواند طی کند به عملکرد موج کلی فوتون کمک می کند. گروهی از فوتون‌ها که در ابتدا در مکان‌های مجاور جمع شده‌اند، به برهم‌نهی تمام مسیرهای احتمالی که هر فوتون ممکن است طی کرده باشد، تکامل می یابند.

وقتی فوتون ها با همسایگان خود برهم کنش می کنند، دیگر شرایط به این شکل نیست. اگر یک فوتون از همسایه خود فاصله بگیرد، سرعت انباشت فاز آن تغییر می کند و با همسایگان خود هماهنگ نمی شود. تمام مسیرهایی که در آن فوتون ها از هم جدا می شوند، همپوشانی دارند و منجر به تداخل مخرب می شود.

مثل این است که هر یک از اعضای گروه کر با گام خاص خود بخواهد آواز بخواند که اینگونه خود آهنگ از بین می‌رود و تشخیص آن از میان هیاهوی هر خواننده غیرممکن می‌شود. در میان تمام مسیرهای پیکربندی ممکن، تنها سناریوی امکان پذیری که باقی می‌ماند، پیکربندی است که در آن همه فوتون‌ها در یک حالت مقید در کنار هم قرار می‌گیرند. به همین دلیل است که برهمکنش با سرکوب همه احتمالات دیگری که در آن فوتون ها به یکدیگر متصل نیستند می تواند باعث افزایش و تشکیل یک حالت مقید شود.

محققان برای اینکه به طور دقیق نشان دهند که حالت های مقید دقیقاً مانند ذرات رفتار می کنند، با کمیت های کاملاً تعریف شده مانند انرژی و تکانه، محققان تکنیک های جدیدی را برای اندازه گیری چگونگی تغییر انرژی ذرات با تکانه توسعه دادند. با تجزیه و تحلیل اینکه چگونه همبستگی بین فوتون ها با زمان و مکان متفاوت است، آنها توانستند مفهومی که رابطه پراکندگی انرژی- تکانه نامیده میشود را بازسازی کنند و ماهیت ذره مانند حالت های مقید را تأیید کنند.

وجود حالت های مقید به خودی خود چیز جدیدی نبود – در رژیمی به نام “رژیم ادغام پذیر”، که در آن پویایی پیچیدگی کمتری دارد، حالات مقید قبلاً ده سال پیش پیش بینی و مشاهده شده بودند. اما فراسوی یکپارچگی، آشفتگی حکمرانی می کند.

قبل از این آزمایش، به طور منطقی فرض می شد که حالت های محدود در میان آشفتگی از هم می پاشند. برای آزمایش این موضوع، محققان برای اینکه فراتر از یکپارچگی عمل کنند هندسه حلقه ساده به شکل یک شبکه دنده‌ای پیچیده‌تر از کیوبیت‌های متصل شده ایجاد کردند. آنها از اینکه متوجه شدند که حالت مقید به خوبی در رژیم هرج و مرج باقی مانده شگفت زده شدند.

تیم محققان هوش مصنوعی کوانتومی گوگل هنوز مطمئن نیست که این حالت‌های مقید انعطاف‌پذیری غیرمنتظره خود را از کجا به دست می‌آورند، اما می‌تواند با پدیده‌ای به نام «پیش گرماسازی» ارتباط داشته باشد، جایی که مقیاس‌های انرژی ناسازگار در سیستم می‌تواند مانع از رسیدن آن به یک تعادل حرارتی سریع شود.

محققان پیش‌بینی می‌کنند که مطالعه این سیستم بینش‌های تازه‌ای را در مورد دینامیک کوانتومی ذره ای ارائه می‌کند و الهام‌بخش اکتشافات فیزیک اساسی‌تر با استفاده از پردازنده‌های کوانتومی است.