ابَرشبیهساز کوانتومیصدها یون را درهم‌تنیده میکند.
فیزیکدانان مؤسسه ی ملی استاندارد و تکنولوژی (National Institute of Standards and Technology) ویژگیهای 219 یون عنصر بریلیوم را درهم‌تنیده کردهاند تا یک شبیهساز کوانتومیایجاد کنند. این شبیهساز با هدف مدلسازی و الگوبرداری از پدیدههای پیچیده ی فیزیکی ساخته شده است. با استفاده از این شبیهساز کوانتومیمیتوان پدیدههایی را که ماشینهای متعارف و حتی ابررایانهها قادر به تحلیل آن نیستند مدلسازی کرد. این تکنیک برای ساخت ساعتهای دقیق اتمیهم به کار میرود.
سیستم جدید مؤسسهی ملی استاندارد و تکنولوژی میتواند حدود ده برابر بیشتر از شبیهسازهای قبلی میان یونهادرهمتنیدگی ایجاد کند و به همین دلیل بسیار کاربردی و مورد استفاده خواهد بود. همچنین در این سیستم رفتار یونهای درهم‌تنیده شده که در کریستالی به ضخامت یک میلیمتر حرکت دورانی دارند میتواند بیشتر از قبل تحت کنترل و یا اعمال تغییر قرار بگیرند. شبیهساز کنونی نمونهی تکمیل شدهی سیستمیاست که در سال 2012 ساخته شده بود. در این شبیهساز کوانتومیایرادها و نقصهای مدل قبلی مرتفع شده است. وجود چنین نقایصی در نمونهی قبلی منجر به از بین رفتن اثرات خفیف و کوتاه کوانتومیمیشد.
جاستین بوهنت (Justin Bohnet)،محقق فوق دکترای مؤسسهی ملی استاندارد و تکنولوژیمیگوید: «در اینجا ما یونهای درهمتنیدهای داریم که بدون ابهام و نارسایی هستند. چیزی که درهمتنیدگی ارائه میدهد، نوعی منبع مفید برای کاربردهای مختلف است، مانند شبیهسازی کوانتومیو یا دستیابی بهاندازهگیری دقیق ساعتهای اتمی.» در شبیهساز کوانتومیمذکور، یون‌ها مانند بیتهای کوانتومییا همان کیوبیتها عمل می‌کنند. یونهای به دام افتاده برای مطالعهی پدیدههای فیزیک کوانتومی، مانند مغناطیس مناسب هستند.
شبیهساز کوانتومیهمچنین میتواند در تحلیل مسائل مهم فیزیکی مفید باشد. چگونگی آغاز عالم، چگونگی دستیابی به تکنولوژیهای نوین مانند ابررساناها در دمای اتاق و یا موتورهای گرمایی در مقیاس اتمیو توسعهی رایانههای کوانتومیاز جملهی این مسائل هستند. بنابر تعاریف جامعهی علمی، شبیهسازهای کوانتومیفرآیندهای کوانتومیخاصی را مدلسازی می‌کنند، در حالی که رایانههای کوانتومیبرای انجام هرگونه محاسبات قابل استفاده هستند. شبیهسازهای کوانتومیبا صدها کیوبیت سابقاً از مواد مختلف، مانند اتمها و مولکولهای خنثی ساخته شدهاند. اما یونهای در دام افتاده مزایای منحصر به فردی دارند، مانند قابل اعتماد بودن، تشخیص حالتهای کوانتومی، حالات کوانتومیبا دوام زمانی بالا و درهمتنیدگی مستحکم در فواصل متعدد.
فیزیکدانان مؤسسه ی ملی استاندارد و تکنولوژی معتقدند که یکی دیگر از دستاوردهای این پژوهش، قابلیت ایجاد یونهای درهم‌تنیده در کریستالهایی با ابعاد مختلف است. تعداد کیوبیتهای به کار رفته در این شبیهساز از 20 کیوبیت به صدها کیوبیت رسیده است. این در حالی است که حتی افزایش بسیار کمیدر تعداد یون‌ها شبیهسازی را بسیار پیچیده‌تر میکند. آنها همچنین ادعا می‌کنند که با این سیستم میتوان فرآیند های کوانتومیرا که ابعادشان ریزتر از مقیاس قابل مشاهده توسط ابزارهای متعارف است، پردازش و مدلسازی کرد.
بوهنت میگوید: «هنگامیکه شما بخواهید 30 یون را به 40 یون برسانید، محاسبات دقیق شما بسیار پیچیده‌تر خواهند شد. این رقمیاست که در آن استفاده از محاسبات کلاسیک به شکست منجر میشود. ما با این شبیهساز از تعداد یونهای کم به سمت یونهای بیشتر رفتیم تا جایی که محاسبات کلاسیک دیگر قادر به شبیهسازی نباشند. به این ترتیب میتوانیم سیستمهای کوانتومیرا به خوبی و با دقت بسیار بالا مدلسازی کنیم.»
محدودهی حرکتی یونهای به دام افتاده در این سیستم به وسیلهی میدانهای الکتریکی و مغناطیسی تعیین شده است. شکل متعارف چیدمان این یونهامثلثی است. مؤسسهی ملی استاندارد و تکنولوژی برای اولین بار در جهان موفق شده آرایههای دو بعدی را از بیش از 100 یون به دام افتاده ایجاد کند. محققان با استفاده از تجاربی که در پروژهی سال 2012 کسب کردند، توانستند نوعی دام جدید را برای یون‌ها طراحی کنند که به آنها امکان تعامل بیشتر و سریعتر را میدهد. قدرت تعامل همهی یون‌ها در کریستالها، با وجود فواصل مختلف، یکسان است.
 |
پژوهشگران برای اعمال حرکتهای خاص بر اسپین الکترونهای یون‌ها، از لیزر با شدت کنترل شده و میدان مغناطیسی یکنواخت استفاده کردند. اسپین یونهامیتواند به سمت بالا، به سمت پایین و یا همزمان به هر دو طرف باشد. حالتی که در آن اسپین بالا و پایین همزمان وجود دارند، فراوضعیت نامیده میشود. در آزمایشها، همهی یون‌ها ابتدا در حالتهای اسپینی فراوضعیت اما مستقل هستند و با هم ارتباطی ندارند. هنگامیکه یون‌ها با هم تعامل می‌کنند، یک اسپین دسته جمعی پیدا می‌کنند که در کل کریستال اتفاق میافتد. تشخیص چگونگی حرکت اسپینی یون‌ها با توجه به شدت نور لیزر میسر میشود. همگامیکهاندازهگیری انجام میشود، یونهای درهم‌تنیده نشده، از فراوضعیت به یک حالت اسپینی ساده تغییر وضعیت داده و دراندازهگیریها، افت و خیزها و بینظمیهایی نشان میدهند. اما یونهای درهم‌تنیده شده، در هنگاماندازهگیری بینظمیکمتری را بروز میدهند.
بوهنت میگوید: «کاهش افت و خیزها در یونهای درهم‌تنیده همان چیزی است که دستیابی به ساعتهای اتمیرا میسر میکند. بررسی افت و خیزها اساس کار ما در مدلسازی پدیدههای مختلف کوانتومی است.»
نتومیصدها یون را درهم‌تنیده میکند.
منبع:
Phys.org
درهمتنیدگی کواتنمی و سیلیکون‌ها
منابع مفید:
کامپیوترهای کوانتمی چگونه کار می‌کنند؟
کامپیوترهای کوانتمی
شبح کوانتمی
برلیوم
برلیوم: کاربردها و پژوهش‌ها
live science
Quantum Entaglement (Science daily news)
Quantum Simulator-WIKI
Atomic Clocks