اپتیک و کوانتوم

یک شبیه‌ساز کوانتومی با عملکرد خوب (نوع خاصی از کامپیوترهای کوانتومی) می‌تواند به اکتشافات جدیدی درباره نحوه عملکرد جهان در کوچک‌ترین مقیاس منجر شود.

ناتالیا چپیگا، دانشمند کوانتومی از دانشگاه صنعتی دلفت، راهنمای ارتقای این ماشین‌ها را به گونه‌ای تهیه کرده است که بتوانند حتی سیستم‌های کوانتومی پیچیده‌تری را شبیه‌سازی کنند. این مطالعه اکنون در Physical Review Letters منتشر شده است. ناتالیا چپیگا، می‌گوید: «ساخت رایانه‌های کوانتومی مفید و شبیه‌سازهای کوانتومی یکی از مهم‌ترین و بحث‌برانگیزترین موضوعات در علم کوانتوم امروزی است که پتانسیل ایجاد انقلابی در جامعه را دارد. شبیه سازهای کوانتومی نوعی کامپیوتر کوانتومی هستند. Chepiga توضیح می‌دهد، «شبیه‌سازهای کوانتومی برای رسیدگی به مشکلات باز فیزیک کوانتومی طراحی شده‌اند تا درک ما از طبیعت را بیشتر پیش ببرند. رایانه‌های کوانتومی کاربردهای گسترده‌ای در حوزه‌های مختلف زندگی اجتماعی، به عنوان مثال، در امور مالی، رمزگذاری، و ذخیره‌سازی داده‌ها خواهند داشت».

Chepiga می‌گوید: «یک عنصر کلیدی یک شبیه‌ساز کوانتومی مفید، امکان کنترل یا دستکاری آن است. "ماشینی را بدون فرمان تصور کنید. فقط می‌تواند جلو برود اما نمی‌تواند بچرخد. آیا مفید است؟ فقط اگر لازم باشد در یک جهت خاص بروید؛ در غیر این صورت، پاسخ "نه!" خواهد بود. کامپیوتر کوانتومی که قادر به کشف پدیده های جدید فیزیک در آینده نزدیک خواهد بود، ما باید یک "فرمان" بسازیم تا به آنچه جالب به نظر می‌رسد تنظیم کنیم. در مقاله خود، پروتکلی را پیشنهاد می‌کنم که یک شبیه‌ساز کوانتومی کاملاً قابل کنترل ایجاد می کند». این پروتکل یک دستور العمل است (مجموعه‌ای از مواد تشکیل‌دهنده که یک شبیه‌ساز کوانتومی باید قابل تنظیم باشد). در تنظیمات معمولی شبیه‌ساز کوانتومی، اتم‌های روبیدیم (Rb) یا سزیم (Cs) توسط یک لیزر مورد هدف قرار می‌گیرند. در نتیجه برانگیخته و پرانرژی‌تر می‌شوند.

چپیگا توضیح می‌دهد: «من نشان می‌دهم که اگر از دو لیزر با فرکانس‌ها یا رنگ‌های متفاوت استفاده کنیم، در نتیجه این اتم‌ها را به حالت‌های مختلف برانگیخته می‌کنیم، می‌توانیم شبیه‌سازهای کوانتومی را با تنظیمات مختلف داشته باشیم.» این پروتکل ابعاد دیگری از آنچه را که می‌توان شبیه سازی کرد ارائه می‌دهد. چپیگا ادامه می‌دهد: «تصور کنید که یک مکعب را فقط به صورت طرح روی یک تکه کاغذ صاف دیده‌اید، اما اکنون یک مکعب سه بعدی واقعی دریافت می‌کنید که می‌توانید آن را لمس کنید، بچرخانید و به روش‌های مختلف کاوش کنید. از نظر تئوری، ما می‌توانیم با وارد کردن لیزرهای بیشتر، ابعاد بیشتری اضافه کنیم.» Chepiga توضیح می‌دهد: «شبیه سازی رفتار جمعی یک سیستم کوانتومی با ذرات بسیار، چالش برانگیز است. فراتر از چند ده ذره، مدل سازی با رایانه معمولی ما یا یک ابر رایانه باید بر تقریب‌ها تکیه کند. وقتی تعامل ذرات، دما و حرکت بیشتر را در نظر می‌گیریم، محاسبات بسیار زیادی برای کامپیوتر وجود دارد. شبیه سازهای کوانتومی از ذرات کوانتومی تشکیل شده‌اند که به این معنی است که اجزا در هم‌تنیده هستند. «درهم تنیدگی نوعی اطلاعات متقابل است که ذرات کوانتومی بین خود به اشتراک می‌گذارند. این یک ویژگی ذاتی شبیه‌ساز است و بنابراین امکان غلبه بر این گلوگاه محاسباتی را فراهم می‌کند.»

 (2024).Natalia Chepiga, Tunable Quantum Criticality in Multicomponent Rydberg Arrays, Physical Review Letters