دانشمندان متوجه یک مورد مشکوک شده اند که قبلاً هرگز دیده نشده بود حالت ماده برای اولین بار در آزمایشگاه
با شلیک لیزری روی شبکه روبیدیوم فوق سرد اتم هادانشمندان اتم‌ها را درون یک سوپ آشفته از عدم قطعیت کوانتومی به نام سیال چرخان کوانتومی هل داده‌اند.
اتم های این سوپ مغناطیسی کوانتومی به سرعت به هم پیوند خوردند و حالت های خود را در سراسر ماده در فرآیندی به نام درهمتنیدگی کوانتومی. این بدان معنی است که هر تغییری در یک اتم باعث تغییرات فوری در سایر اتم های ماده می شود. محققان در مقاله ای که یافته های خود را در 3 دسامبر در ژورنال شرح دادند، این پیشرفت می تواند راه را برای توسعه رایانه های کوانتومی بهتر هموار کند. علوم پایه.
متصل: 12 آزمایش خیره کننده در فیزیک کوانتومی
میخائیل لوکین، نویسنده اصلی، استاد فیزیک دانشگاه هاروارد و یکی از مدیران ابتکار کوانتومی هاروارد، می‌گوید: «این یک لحظه بسیار ویژه در این زمینه است. در بیانیه ای گفت. "شما واقعا می توانید لمس کنید، نیش بزنید و به این حالت عجیب و غریب فشار دهید و آن را دستکاری کنید تا خواص آن را درک کنید. این حالت جدیدی از ماده است که انسان ها هرگز قادر به مشاهده آن نبوده اند."
سیالات اسپین کوانتومی برای اولین بار در سال 1973 توسط فیزیکدان فیلیپ اندرسون نظریه‌پردازی شد، زمانی که مواد از قوانین معمولی که بر رفتار مغناطیسی آنها حاکم است سرپیچی کردند.
الکترون ها خاصیتی به نام اسپین دارند، نوعی تکانه زاویه ای کوانتومی که می تواند به سمت بالا یا پایین اشاره کند. در آهنرباهای معمولی (مانند آهنرباهایی که افراد در یخچال قرار می دهند)، چرخش الکترون های همسایه جهت یابی می شود در حالی که همه به یک جهت اشاره می کنند و تولید می کنند. میدان مغناطیسی. در مواد غیر مغناطیسی، چرخش دو الکترون مجاور را می توان معکوس کرد تا در مقابل یکدیگر قرار گیرند. اما در هر دو مورد، قطب های مغناطیسی کوچک الگوی صحیح را تشکیل می دهند.
اما در سیالات اسپین کوانتومی، الکترون ها از انتخاب خودداری می کنند. به جای اینکه الکترون ها در کنار یکدیگر بنشینند، در یک شبکه مثلثی قرار گرفته اند تا هر الکترون دو همسایه مستقیم داشته باشد. دو الکترون می‌توانند چرخش‌های خود را تراز کنند، اما الکترون سوم همیشه فرد خواهد بود و تعادل ظریف را از بین می‌برد و مخلوطی از الکترون‌های برانگیخته در حال تغییر را ایجاد می‌کند.
این حالت گیج همان چیزی است که محققان آن را آهنربای "ناامید" می نامند. از آنجایی که حالت‌های اسپین دیگر نمی‌دانند به کدام سمت بروند، الکترون‌ها و اتم‌هایشان در عوض خود را به ترکیب عجیبی از حالت‌های کوانتومی به نام برهم‌نهی کوانتومی می‌اندازند. چرخش‌های دائماً در حال نوسان اکنون همزمان با چرخش آنها به سمت بالا و پایین وجود دارند و سوئیچینگ ثابت باعث می‌شود اتم‌ها در تمام طول ماده در یک حالت کوانتومی پیچیده با یکدیگر در هم تنیده شوند.
محققان نتوانستند به طور مستقیم سیال اسپین کوانتومی ایده آل را مطالعه کنند، بنابراین آنها یک فاکس تقریباً کامل را در یک سیستم آزمایشی دیگر ایجاد کردند. آنها آرایه ای از 219 اتم روبیدیم گرفته شده - که می توانند برای طراحی دقیق و شبیه سازی فرآیندهای کوانتومی مختلف مورد استفاده قرار گیرند - تا دمای تقریبا 10 میکروکلوین (نزدیک به صفر مطلق یا منفی 273.15 درجه سانتیگراد) خنک کردند.
گاهی اوقات یکی از الکترون‌های یک اتم در سطح انرژی بسیار بالاتری نسبت به سایرین قرار دارد که اتم را در حالتی قرار می‌دهد که به آن حالت ریدبرگ می‌گویند. مشابه حالت های چرخش، قوانین شبح مانند مکانیک کوانتومی تضمین می کند که اتم نمی خواهد در حالت ریدبرگ باشد، اگر همسایه اش باشد. با پرتاب لیزر به اتم های خاص در آرایه، محققان از کشیدن سه طرفه طناب مشاهده شده در یک سیال کوانتومی سنتی تقلید کردند.
پس از ایجاد سوپ کوانتومی Rydberg، محققان این آرایه را آزمایش کردند و تأیید کردند که اتم‌های آن در کل مواد در هم پیچیده شده‌اند. آنها یک سیال اسپین کوانتومی ایجاد کرده بودند.
سپس دانشمندان توجه خود را به اثبات آزمایش مفهومی کاربرد بالقوه آن معطوف کردند: طراحی کیوبیت ها یا بیت های کوانتومی روی یک کامپیوتر کوانتومی. در حالی که رایانه‌های معمولی از بیت‌های 0 یا 1 برای تشکیل مبنای همه محاسبات استفاده می‌کنند، رایانه‌های کوانتومی از کیوبیت‌هایی استفاده می‌کنند که می‌توانند در بیش از یک حالت در یک زمان وجود داشته باشند. با این حال، کیوبیت ها فوق العاده شکننده هستند. هر گونه تعامل با دنیای خارج می تواند به راحتی اطلاعاتی را که آنها حمل می کنند از بین ببرد.
با این حال، ماهیت خاص درهمتنیدگی سیال دوار کوانتومی در سراسر ماده می‌تواند به ذخیره‌سازی بسیار پایدارتر اطلاعات اجازه دهد. این به این دلیل است که به جای رمزگذاری اطلاعات کوانتومی فقط در یک کیوبیت، می‌تواند اجازه دهد اطلاعات به شکلی - یا توپولوژی - که حالت‌های درهم پیچ خورده در خود ماده ایجاد می‌کنند، قرار گیرد. ایجاد یک "کیوبیت توپولوژیکی". با رمزگذاری اطلاعات به شکلی که توسط چندین بخش به جای یک قسمت تشکیل شده است، کیوبیت توپولوژیکی بسیار کمتر احتمال دارد که تمام اطلاعات خود را از دست بدهد.
اثبات مفهوم پژوهشگران تنها یک کیوبیت توپولوژیکی کوچک به طول تنها چند ده اتم ایجاد کرده است، اما آنها امیدوارند در آینده اتم های بسیار بزرگتر و کاربردی تر ایجاد کنند.
جولیا سمگینی، فیزیکدان کوانتومی در دانشگاه هاروارد، یکی از نویسندگان این مقاله می گوید: «یادگیری نحوه ایجاد و استفاده از چنین کیوبیت های توپولوژیکی گام بزرگی در جهت تحقق رایانه های کوانتومی قابل اعتماد خواهد بود. "ما در حال نشان دادن اولین گام ها در مورد نحوه ایجاد این کیوبیت توپولوژیکی هستیم، اما هنوز باید نشان دهیم که چگونه می توانید آن را رمزگذاری و دستکاری کنید. اکنون چیزهای بیشتری برای کشف وجود دارد."
در ابتدا در Live Science منتشر شد.