بیش از 200 یون بریلیوم در آزمایش رکوردشکنی که توسط پژوهش‌گرانی در NIST ایالات متحده انجام شده، در هم تنیده‌اند. یون‌ها به صورت بیت‌های کوانتومی اطلاعات (کیوبیت) عمل می‌کنند و می‌توانند برای شبیه‌سازی پدیده‌های فیزیکی نظیر مغناطیس و ابررسانایی استفاده شوند، که مدل‌سازی آن‌ها با استفاده از کامپیوترهای معمولی بسیار دشوار است. تکنیک درهم‌تنیدگی که نسبت به روش‌های قبل، 10 برابر بیشتر یون‌ها را درگیر می‌کند، می‌تواند برای توسعه بهتر ساعت‌های اتمی مفید باشد.

تصاویر میکروسکوپی از چندین مجموعه یون‌های بریلیوم-9 به دام‌افتاده

در یک چرخش: شبیه‌ساز کوانتومی 219 یون را در هم می‌تند

فهمیدن یک سیستم پیچیده نظیر مولکول‌های بزرگ یا ابررسانا اغلب مستلزم استفاده از کامپیوتر برای حل معادله شرودینگر تعداد زیادی از اتم‌ها و الکترون‌های در حال برهم‌کنش است. یافتن پاسخ، بخصوص در خصوص مولکول‌های زیستی، مغناطیس و ابررساناهای دمای بالا ممکن است بسیار دشوار باشد.

شبیه‌ساز کوانتومی با خلق مدلی از سیستمی دلخواه، با اجزایی که هریک مشمول قوانین فیزیک کوانتومی می‌شوند، به حل این مشکل می‌پردازد. برای مثال، الکترون‌هایی که در یک جامد قویاً در حال برهم‌کنش هستند، می‌توانند به صورت اتم‌هایی نمایش داده شوند که در دام اپتیکی یا مغناطیسی نگاه داشته شده‌اند. برهم‌کنش میان اتم‌ها می‌تواند با اعمال میدان مغناطیسی یا تنظیم نور لیزر به دقت تنظیم شود که این روش امکان مطالعات منظم را در این خصوص که چگونه برهم‌کنش‌ها رفتار جمعی سیستم را تحت تأثیر قرار می‌دهند، میسر می‌کند. در این‌جا برخلاف رفتار الکترون‌ها در یک ماده جامد عمل می‌شود، که در آن جا برهم‌کنش‌ها ویژگی ثابت و تغییرناپذیر ماده هستند.

دیسک چرخان

Justin Bohnet و هم‌کارانش در NIST برای ساخت این شبیه‌ساز کوانتومی، 219 یون بریلیوم-9 را در دام پنینگ به دام انداختند. دام پنینگ ذرات باردار را با استفاده از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی نگه می‌دارد. یون‌ها دیسکی دوبعدی تنها با ضخامت یک یون و قطر 1 میلی‌متر تشکیل می‌دهند. دیسک با فرکانس حدود 180 کیلوهرتز می‌چرخد.

دافعه الکتریکی میان یون‌ها با بار مثبت موجب می‌شود آن‌ها خود را در شبکه‌ای مثلثی مرتب کنند. هر یون دارای اسپنی است که می‌تواند در جهت بردار z دام به سمت بالا یا پایین باشد. پژوهش‌گران نور لیزر را به اتم‌ها تاباندند که برهم‌کنشی میان اسپین‌های همسایه، بسته به موقعیت آنان نسبت به یکدیگر (بالا یا پایین) به وجود می‌آورد. این برهم‌کنش «آیزینگ» که در برخی مواد مغناطیسی نیز دیده می‌شود، موجب می‌شود این گونه سیستم‌ها برای شبیه‌سازی کوانتومی مغناطیس مناسب باشند.

آزمایش‌ها با برهم‌کنش آیزینگ صفر آغاز می‌شود، یعنی یون‌ها به صورت مستقل از یکدیگر رفتار می‌کنند. سپس برهم‌کنش روشن می‌شود که سبب می‌شود یون‌ها حالت درهم‌تنیده‌ای را شکل دهند که شامل بیشتر یون‌های به دام‌افتاده، یا تمام آن‌ها است. درهم‌تنیدگی یک ویژگی کاملاً کوانتوم-مکانیکی است که به اشیاء کوانتومی مانند یون‌ها اجازه می‌دهد رابطه‌ای بسیار بیشتر از آن‌که در فیزیک کلاسیک پیش‌بینی می‌شود، داشته باشند.

قطبش‌زدایی اسپین

بعد از آن یک پالس مایکروویو در دام اعمال می‌شود که اسپین‌ها را 90 درجه می‌چرخاند‌، به طوری که همه در جهت محور x صفحه دیسک قرار می‌گیرند. اسپین‌ها در حدود 1 میلی‌ثانیه در این حالت نگه داشته می‌شوند و در طول این زمان، برهم‌کنش آیزینگ موجب می‌شود اسپین‌ها شروع به جهت‌گیری در جهات مختلف شوند، که به این فرآیند قطبش‌زدایی گفته می‌شود.

در نهایت، درجه قطبش‌زدایی که رخ داده اشت، با تابش نور لیزر در دام اندازه‌گیری می‌شود. یون‌های با اسپین بالا از خود نور فلوئورسانت ساطع کرده، در حالی که یون‌های با اسپین پایین هیچ نوری ساطع نمی‌کنند. اجزای اسپین در صفحه دیسک (صفحه x-y) نیز می‌تواند با استفاده از روشن کردن پالس مایکروویو به یون‌ها، به منظور چرخاندن اسپین‌هایشان در راستای محور z اندازه‌گیری شود.

این گروه توانستند نشان دهند که قطبش‌زدایی در قالب رفتار همدوس-کوانتومی اتفاق افتاده است و در نتیجه‌ی برهم‌کنش میان اسپین‌ها بوده نه به دلیل نوفه. این مساله حائز اهمیت است، زیرا وجود مقادیر زیاد نوفه در این سیستم می‌تواند نشان دهد که یون‌ها درهم‌تنیده نشده‌اند، بلکه به‌صورت مستقل رفتار کرده‌اند.

این گروه بعد از این به دقت نوسانات کوانتومی موجود در سیستم را بررسی کردند و توانستند نشان دهند حالت‌های درهم‌تنیده‌ای که ایجاد کردند، «حالت‌های اسپین-فشرده» هستند. یعنی عدم قطعیت کوانتومی در اندازه‌گیری اسپین ترکیب‌شده مجموعه کاهش یافته است. برای برقرار نگه‌داشتن اصل عدم قطعیت مکانیک کوانتومی، این عدم قطعیت به درجات آزادی دیگر سیستم انتقال داده می‌شود (یا فشرده می‌شود).

Bohnet نتایج را «شفاف و بی‌چون و چرا توصیف کرد که حتماً یون‌ها در هم‌تنیده شده‌اند». وی افزود، در این‌جا، فشردگی اسپین موید آن است که شبیه‌ساز درست کار می‌کند، زیرا نوسانات کوانتومی مورد انتظار را تولید می‌کند.

ثابت می‌شود قابلیت انتقال عدم قطعیت، در توسعه ساعت‌های اتمی بسیار مفید است. Bohnet توضیح داد کاهش نویز کوانتومی همان چیزی است که موجب می‌شود این شکل درهم‌تنیدگی برای بهبود ساعت‌های یونی و اتمی مناسب باشد.

Ben Lanyon از موسسه اپتیک کوانتومی و اطلاعات کوانتومی آکادمی علوم اتریش به physicswprld.com گفت: «مشاهده درهم‌تنیدگی در سیستم‌هایی متشکل از صدها یون به‌دام‌افتاده یقیناً گامی بزرگ و رو به جلو در زمینه شبیه‌سازی کوانتومی و به طور کلی دانش کوانتوم است». او چنین ادامه داد که توانایی کار با تعداد زیادی ذرات درهم‌تنیده، به منظور توسعه شبیه‌سازهای کوانتومی قدرتمند، بسیار حیاتی است. خاصتاً هیجان‌انگیز است که این کار با یون‌ها انجام شده است، که می‌توانند با دقت بالایی یک به یک کنترل شوند: «سیستم Bohnet دوبعدی است، یعنی همان جایی بسیاری از مسائل مورد علاقه افراد و مسائلی که حل آن‌ها دشوار است، در زمینه فیزیک کوانتومی بس‌-ذره‌ای قرار گرفته است».

نویسنده: Hamish Johnston ویراستار physicswprld.com است

منبع: Quantum simulator entangles hundreds of ions

مرجع: Quantum spin dynamics and entanglement generation with hundreds of trapped ions