پژوهشگران با استفاده از مدارهای کوانتومی مقیاس‌پذیر، رفتار ماده را در شرایط شدید شبیه‌سازی کردند و گامی مهم در توضیح پیدایش ماده در جهان برداشتند.
به گزارش سرویس علمی تکناک، «شرایط شدید» به وضعیت‌هایی گفته می‌شود که ماده در آنها تحت چگالی‌های بسیار بالا، انرژی‌های فوق‌العاده زیاد، دماهای بی‌نهایت بالا یا محیط‌های بسیار پویا و ناپایدار قرار می‌گیرد. در چنین حالتی رفتار ماده با حالت‌های معمول کاملاً متفاوت است و نیروهای بنیادی با شدت زیادی عمل می‌کنند. این شرایط شبیه محیط داخل هسته اتم، برخوردهای پرانرژی ذرات در شتاب‌دهنده‌ها یا وضعیت چند لحظه پس از مهبانگ است؛ موقعیت‌هایی که فیزیک کلاسیک قادر به توضیح دقیق آنها نیست و تنها مدل‌های پیشرفته یا شبیه‌سازی کوانتومی می‌توانند آنها را توصیف کنند.
پژوهشگران در این پژوهش با استفاده از رایانه‌های کوانتومی IBM توانستند مدارهای کوانتومی جدید و مقیاس‌پذیری طراحی کنند، که رفتار ماده را در شرایط بسیار شدید، مانند برخوردهای ذرات در شتاب‌دهنده‌ها شبیه‌سازی می‌نماید. این پیشرفت می‌تواند راه تازه‌ای برای بررسی نیروهای بنیادی طبیعت و پرسش‌های قدیمی درباره پیدایش جهان فراهم کند.
مدل استاندارد فیزیک ذرات توضیح می‌دهد که ذرات بنیادی چگونه با یکدیگر تعامل می‌کنند. این مدل ستون اصلی فهم ما از ساختار ماده است. با وجود این، زمانی که ماده وارد شرایط بسیار پرچگال یا بسیار پویا می‌شود، معادلات این مدل آن‌قدر پیچیده می‌شود که حتی سریع‌ترین ابررایانه‌های کلاسیک هم قادر به حل آن نیستند. همین محدودیت باعث شده است که دانشمندان به استفاده از رایانش کوانتومی روی بیاورند.
بیشتر بخوانید: شرکت IBM از دو پردازنده کوانتومی جدید رونمایی کرد
یکی از اصلی‌ترین چالش‌های شبیه‌سازی کوانتومی، ساخت «حالت اولیه» درست روی کیوبیت‌ها است. بدون ایجاد حالت اولیه صحیح، هیچ شبیه‌سازی قابل اعتماد نیست. اکنون گروهی از پژوهشگران توانسته‌اند مدارهایی طراحی کنند که حالت آغازین یک برخورد ذره‌ای را بازسازی می‌کند. این برخوردها مشابه برخوردهایی است که در شتاب‌دهنده‌های ذرات، مانند برخورددهنده‌های بزرگ فیزیکی رخ می‌دهد و ماده را به حالت‌های بسیار خاص و شدید می‌برد.
این پژوهش روی برهم‌کنش‌های قوی در مدل استاندارد تمرکز دارد؛ همان نیروهایی که کوارک‌ها و گلوئون‌ها را درون هسته اتم کنار هم نگه می‌دارد. این بخش از فیزیک یکی از پیچیده‌ترین بخش‌ها است که دانشمندان برای سال‌ها تلاش می‌کنند راهی برای شبیه‌سازی دقیق آن پیدا کنند.
پژوهشگران ابتدا مدارهای خود را در مقیاس کوچک و با کمک رایانه‌های کلاسیک آزمایش کردند. نتایج امیدوارکننده بود. سپس به دلیل ساختار مقیاس‌پذیر مدارها توانستند آنها را برای سامانه‌های بسیار بزرگ‌تر گسترش دهند و به صورت مستقیم روی رایانه‌های کوانتومی IBM اجرا کنند. این مرحله نقطه عطف پژوهش است، چرا که برای نخستین بار ویژگی‌های مهم فیزیک هسته‌ای روی بیش از ۱۰۰ کیوبیت شبیه‌سازی شده است.
این مدارهای کوانتومی جدید می‌توانند مشکلات بزرگی را در مسیر مطالعه پیدایش ماده حل کنند. مثلاً می‌توانند حالت خلأ پیش از برخورد ذرات را مدل کنند، یا چگونگی رفتار ماده در چگالی‌های بسیار بالا را نشان دهند. همچنین این روش امکان شبیه‌سازی «پرتوهای هادرونی» را فراهم می‌کند، که در فیزیک انرژی‌های بالا کاربرد گسترده دارد. دانشمندان می‌گویند که با پیشرفت این روش‌ها، شبیه‌سازی‌های کوانتومی در آینده از توان محاسبات کلاسیک فراتر خواهد رفت.
این شبیه‌سازی‌ها شاید به پاسخ پرسش‌هایی کمک کند که سال‌ها ذهن پژوهشگران را مشغول کرده است، از جمله اینکه چرا مقدار ماده در جهان بیشتر از پادماده است، چگونه ابرنواخترها عناصر سنگین را تولید می‌کنند و ماده در چگالی‌های فوق‌العاده بالا چه رفتاری دارد. حتی این روش‌ها برای مطالعه مواد غیرمعمول و سیستم‌های پیچیده دیگر نیز کاربرد دارند.
پژوهشگران در بخش دیگری از این مطالعه، بزرگ‌ترین شبیه‌سازی دیجیتال کوانتومی تا امروز را با استفاده از رایانه‌های کوانتومی IBM انجام دادند. آنها با استفاده از تقارن‌ها و الگوهای موجود در مقیاس‌های طولی سامانه‌های فیزیکی، مدارهایی یافتند که به‌خوبی با هم‌بستگی‌های محلی در سامانه‌های کوانتومی سازگار است.
بیشتر بخوانید: تراشه کوانتومی نوری چین با سرعت هزار برابر GPUهای انویدیا معرفی شد
نتایج آزمایش‌های اولیه با رایانه‌های کلاسیک نشان داد که این مدارها قابل بهبود و توسعه‌پذیر هستند. سپس پژوهشگران نسخه گسترده‌تر این مدارها را روی سامانه‌هایی با بیش از ۱۰۰ کیوبیت اجرا کردند و توانستند ویژگی‌های خلأ را با دقتی در حد چند درصد اندازه‌گیری کنند. این سطح از دقت برای شبیه‌سازی‌های کوانتومی گامی مهم محسوب می‌شود.
در ادامه، تیم پژوهشی پالس‌هایی از هادرون‌ها را نیز با همین مدارها ایجاد کرد و رفتار آنها را با گذر زمان مورد بررسی قرار داد. این دستاورد به فیزیک‌دانان امکان می‌دهد که شبیه‌سازی‌های دینامیکی ماده را در شرایط شدید انجام دهند؛ شرایطی که رایانه‌های کلاسیک از انجام آن ناتوان هستند.
به گفته تیم پژوهشی، این پیشرفت‌ها مسیر را برای ساخت شبیه‌سازی‌های پیچیده‌تر در سال‌های آینده هموار می‌کند و می‌تواند حلقه‌ای مفقوده در درک ما از پیدایش ماده و جهان را کامل کند.
