کشف دنیای پنهان ذرات بنیادی با کمک "کودیت"

زهرا وجدانی: در دنیای امروز علم درک سازوکار‌های بنیادین طبیعت مستلزم ورود به دنیای عجیب و پیچیده فیزیک کوانتومی است. در قلب این تلاش‌ها، مطالعه برهم‌کنش ذرات و نیرو‌های نامرئی‌ای قرار دارد که آنها را هدایت می‌کنند؛ نیرو‌هایی که دانشمندان آنها را با نظریه‌های پیمانه‌ای (Gauge Theories) توضیح می‌دهند. 

این نظریه‌ها چگونگی برهم‌کنش ذرات از طریق تبادل ذرات حامل نیرو را توصیف کرده و پایه‌ای برای درک ما از ماده در چارچوب مدل استاندارد فیزیک ذرات فراهم می‌آورند، اما شبیه‌سازی این نظریه‌های پیمانه‌ای روی یک رایانه کار ساده‌ای نیست.

دلیل این دشواری آن است که قوانین حاکم بر این ذرات از منطق روزمره پیروی نمی‌کنند؛ آنها تحت تأثیر قوانین مکانیک کوانتومی قرار دارند، جایی که سامانه‌ها می‌توانند هم‌زمان در چندین حالت باشند، ذرات می‌توانند به‌طور ناگهانی ظاهر و ناپدید شوند و همه چیز از طریق درهم‌تنیدگی (Entanglement) به هم مرتبط است. این پیچیدگی‌ها، شبیه‌سازی سامانه‌های کوانتومی را برای رایانه‌های سنتی، و حتی ابررایانه‌های مدرن، بسیار دشوار می‌سازد.

عبور از محدودیت‌های رایانه‌های دودویی

رایانه‌ها چه کلاسیک و چه کوانتومی، معمولاً در قالب دودویی عمل می‌کنند. یک رایانه معمولی اطلاعات را به‌صورت بیت‌های ۰ و ۱ پردازش می‌کند، در حالی که رایانه‌های کوانتومی از کیوبیت‌ها (Qubits) استفاده می‌کنند که می‌توانند به لطف پدیده‌ای به نام برهم‌نهی (Superposition) هم‌زمان در دو حالت ۰ و ۱ باشند.

این ویژگی، رایانه‌های کوانتومی را برای حل مسائل کوانتومی بسیار توانمندتر از رایانه‌های کلاسیک می‌کند. اما این نیز محدودیت‌هایی دارد. برخی از پیچیده‌ترین مسائل فیزیکی، مانند شبیه‌سازی دینامیک لحظه‌ای در نظریه‌های میدان کوانتومی یا مطالعه اشکال متراکم ماده، حتی از ظرفیت رایانه‌های کوانتومی مبتنی بر کیوبیت نیز فراتر می‌روند. این مشکلات شامل مسائلی مانند مشکلات علامت‌دار بودن (Sign Problem) است که موجب بی‌ثباتی و عدم‌اعتمادپذیری در شبیه‌سازی‌های عددی شده و روش‌های کلاسیک را غیرممکن می‌سازد.

اکنون یک نوع جدید از رایانه‌های کوانتومی در حال کمک به دانشمندان برای عبور از این محدودیت‌ها با فراتر رفتن از کیوبیت‌ها است.

ظهور کودیت‌ها

این نوآوری حول چیزی به نام کودیت (Qudit) شکل گرفته است. برخلاف کیوبیت که تنها می‌تواند دو مقدار ممکن (۰ و ۱) را در خود ذخیره کند، یک کودیت قادر است چندین سطح انرژی را نگه دارد—سه، چهار، پنج یا بیشتر. این تفاوت مانند جایگزین کردن یک کلید ساده روشن/خاموش با یک دیمر دارای چندین سطح نور است.

این انعطاف‌پذیری اضافی، رایانه‌های کوانتومی را در شبیه‌سازی میدان‌های پیمانه‌ای (Gauge Fields)، که به‌طور طبیعی در ابعاد بالاتر وجود دارند، بسیار توانمندتر می‌سازد. این میدان‌ها نمایانگر نیرو‌های الکتریکی و مغناطیسی هستند که به سادگی در سیستم‌های دودویی جای نمی‌گیرند. استفاده از کودیت‌ها به دانشمندان این امکان را می‌دهد که این میدان‌های پیچیده را به‌طور مستقیم‌تر و کارآمدتر شبیه‌سازی کنند.

پیشرفتی کلیدی در الکترودینامیک کوانتومی

در یک آزمایش جدید، تیمی از دانشگاه اینسبروک اتریش به سرپرستی فیزیکدان مارتین رینگباوئر با گروهی نظری از دانشگاه واترلو در کانادا به سرپرستی کریستین موشیک همکاری کردند. آنها اولین شبیه‌سازی کوانتومی از یک نظریه پیمانه‌ای را که شامل ذرات و میدان‌ها در دو بعد فضایی بود، انجام دادند.

تمرکز این تیم بر روی الکترودینامیک کوانتومی در دو بعد (۲D-QED) بود، که نسخه‌ای ساده‌تر از نظریه‌ای است که چگونگی برهم‌کنش نور و ماده را در دنیای واقعی توصیف می‌کند. حتی در دو بعد، این نظریه بسیاری از ویژگی‌های اساسی فیزیک ذرات، از جمله برهم‌کنش بین ذرات و میدان الکترومغناطیسی را در بر می‌گیرد.

کوچک‌تر هوشمندتر و مقیاس‌پذیرتر

یکی از هیجان‌انگیزترین جنبه‌های این کشف، کارایی بالای آن است. با استفاده از دروازه‌های کوانتومی باکیفیت مبتنی بر کودیت، که اساساً قوانین تعامل کودیت‌ها را تعیین می‌کنند، تیم تحقیقاتی توانستند تعداد مراحل مورد نیاز در مدار کوانتومی را به‌شدت کاهش دهند. این موضوع اهمیت زیادی دارد، زیرا سخت‌افزار‌های کوانتومی امروزی همچنان شکننده هستند؛ بنابراین، هرچه تعداد عملیات کمتر باشد، شبیه‌سازی قابل‌اعتمادتر خواهد بود.

در واقع در این شبیه‌سازی، آنها توانستند پیچیدگی مدار را در مقایسه با استفاده از کیوبیت‌ها به اندازه یک مرتبه بزرگی کاهش دهند. چنین جهشی، فرصت‌های جدیدی را برای اجرای مسائل واقعی فیزیک روی سخت‌افزار‌های کوانتومی کنونی—نه در دهه‌های آینده، بلکه در آینده‌ای نزدیک—فراهم می‌آورد.

مسیر به‌سوی نیروی قوی هسته‌ای و فراتر از آن

اهمیت این پژوهش فراتر از یک شبیه‌سازی منفرد است. این کار نقطه عطفی در استفاده از رایانه‌های کوانتومی برای بررسی فیزیک ذرات محسوب می‌شود. نظریه‌های پیمانه‌ای، از جمله الکترودینامیک کوانتومی، بخشی از مدل استاندارد را تشکیل می‌دهند که همچنین نیروی هسته‌ای قوی را نیز شامل می‌شود، نیرویی که هسته‌های اتمی را در کنار هم نگه می‌دارد و هنوز هم یکی از کم‌درک‌شده‌ترین نیرو‌های طبیعت است. اما با افزودن تنها چند کودیت دیگر، این روش می‌تواند برای پوشش مدل‌های سه‌بعدی و حتی نیروی هسته‌ای قوی گسترش یابد.

این پیشرفت ممکن است پاسخ‌هایی برای پرسش‌هایی فراهم کند که دهه‌هاست بی‌پاسخ مانده‌اند: ذرات در شرایط فوق‌العاده، مانند آنچه در ستاره‌های نوترونی وجود دارد، چگونه رفتار می‌کنند؟ آیا می‌توان شبیه‌سازی‌ای از کیهان اولیه انجام داد و درک کرد که ماده چگونه در لحظات نخست پس از مهبانگ شکل گرفته است؟

همان‌طور که رینگباوئر بیان می‌کند: "این تحقیق، ما را یک گام مهم به مطالعه طبیعت نزدیک‌تر می‌کند. ما نسبت به پتانسیل رایانه‌های کوانتومی برای بررسی این پرسش‌های شگفت‌انگیز بسیار هیجان‌زده هستیم."

با بهبود سخت‌افزار و افزایش دسترسی به کودیت‌ها، انتظار می‌رود شبیه‌سازی‌های پیچیده‌تر، پاسخ‌هایی به برخی از عمیق‌ترین اسرار علم ارائه کنند. آینده علم ممکن است نه از طریق شتاب‌دهنده‌های ذرات عظیم، بلکه از طریق رایانه‌های کوانتومی پیشرفته رقم بخورد.

انتهای پیام/