به روزترین مقالات
زخم بس ذره ای کوانتومی ، بی‌نظمی جهان را به مبارزه می‌طلبد

زخم بس ذره ای کوانتومی ، بی‌نظمی جهان را به مبارزه می‌طلبد

حتی یک اتاق کاملا تمیز و مرتب پس از گذشت مدت زمانی، نظم خود را از دست خواهد داد. لباس‌ها،‌ کتاب‌ها و کاغذها نیز حالت مرتب خود را از دست داده و در کف اتاق پراکنده خواهند شد. با این حال، رنج‌آور است اگر بدانیم که این گرایش به بی‌نظمی، یکی از قوانین طبیعت را منعکس می‌کند: بی‌نظمی تمایل به افزایش دارد.
مثلا اگر یک کپسول غواصی را باز کنید، مولکول‌های داخل آن بیرون خواهند آمد و در سراسر فضای اتاق گسترش خواهند یافت. یک تکه یخ را درون آب گرم قرار دهید. پیوندهای شبکه‌ی بلوری مولکول‌های آب که بطور منظم منجمد شده‌اند، می‌شکنند و مولکول‌ها پخش می‌شوند. یک سیستم در فرآیند مخلوط شدن و پخش شدن، تمایل دارد با محیط اطرافش تعادل پیدا کند که به آن، تعادل گرمایی (thermalization) می‌گویند.
فیزیکدانان آزمایشی طراحی کرده‌اند که در آن همین فرآیند تعادل گرمایی کاملا معمول و شهودی مورد انتظار است. آن‌ها 51 اتم روبیدیم را در یک ردیف، کنار هم قرار داده و به کمک لیزرهایی در مکان خودشان نگه می‌دارند. اتم‌ها بین پایین‌ترین حالت انرژی (حالت پایه) و حالت انرژی برانگیخته با یک الگوی منظم، جابه‌جا می‌شوند. محققان فرض کردند سیستم به سرعت به تعادل گرمایی برسد و الگوی جابه‌جایی بین دو حالت پایه و برانگیخته، فورا به یک توالی خاتمه یافته تبدیل شود.
در ابتدا نیز این اتفاق افتاد و الگوی جابه‌جایی متوقف شد، یعنی سیستم به تعادل گرمایی رسید. اما بعد از آن و به شکل شوکه‌کننده‌ای، سیستم به همان فرآیند جابه‌جایی اصلی بازگشت. سیستم س از مقداری مخلوط شدن دوباره به همان پیکربندی اولیه بازگشت. در حالیکه سیستم، بعد از چند بار رفت و برگشت و چند نوسان در زمانی کمتر از یک میکروثانیه، باید به حالت تعادل گرمایی برسد. فیزیکدان دانشگاه هاروارد و رئیس این گروه تحقیقاتی، میخائیل لوکین (Mikhail Lukin) می‌گوید:
این اتفاق مانند این است که شما یک تکه یخ را داخل آب گرم بیاندازید و آن ذوب نشود. چیزی که شما می‌بینید این است که یخ ذوب می‌شود و سپس دوباره منجمد می‌شود، سپس دوباره ذوب می‌شود و بعد از آن باز هم منجمد می‌شود، چیزی که واقعا عجیب است.

فیزیکدانان این رفتار عجیب را زخم گذاری بس ‌ذره‌ ای کوانتومی (quantum many-body scarring) نام‌گذاری کرده‌اند. اگر سیستم یا ذره‌ای، زخمی داشته باشد، به نظر می‌رسد اثری از گذشته دارد که آن‌ را بارها به پیکربندی اولیه‌ی خود بازمی‌گرداند.
پس از گذشت حدود یک سال و نیم از انتشار این نتیجه در مقاله‌ای در مجله‌ی نیچر، چند گروه از فیزیکدانان سعی کرده‌اند ماهیت این زخم‌های کوانتومی را درک کنند. برخی معتقدند ممکن است این کشف، نشانه‌ی ظهور یک طبقه‌بندی جدید برای رفتار و برهمکنش ذرات کوانتومی باشد. در این صورت، یکی از اصلی‌ترین فرض‌های فیزیکدانان به چالش کشیده می‌شود که می‌گوید چنین سیستمی، باید بدون وقفه به سمت تعادل گرمایی برود. به علاوه،‌ این زخم بس ‌ذره ‌ای کوانتومی می‌تواند منجر به انواع جدیدی از بیت‌های کوانتومی با طول عمر زیاد شود که یکی از اجزای کلیدی کامپیوترهای کوانتومی آینده هستند.

غلبه بر احتمال صفر
زمانی که فیزیکدانان سیستم متشکل از 51 اتم خود را ساختند، نگاهی نیز به محاسبات کوانتومی داشتند. سیستم آن‌ها در حقیقت یک شبیه‌ ساز کوانتومی بود: ماشینی که برای شبیه ‌سازی فرآیندهای کوانتومی که امکان پیاده‌سازی آن‌ها با کامپیوترهای کلاسیک وجود ندارد، طراحی می‌‌شود. این بزرگ‌ترین ماشین شبیه‌ سازی کوانتومی بود که تا آن زمان ساخته شده بود.
اتم‌ها در ماشین کوانتومی هاروارد به صورت کیوبیت عمل می‌کنند، یعنی حالت‌های روشن یا خاموش آن‌ها، نشان‌دهنده‌ی حالت پایه یا برانگیخته‌ی (به اصطلاح تراز ریدبرگ) آن‌هاست. این سیستم به محققان اجازه می‌دهد آن را هر طور که می‌خواهند تنظیم کنند، مثلا قدرت و شدت برهمکنش اتم‌ها با یکدیگر را تغییر دهند.
محققان چند ساختار اولیه از حالت‌های پایه و برانگیخته آماده کردند. از آنجایی که اتم‌ها به شدت با هم برهمکنش می‌کنند، باید به حالت تعادل گرمایی برسند. در این نوع سیستم کوانتومی، اتم‌ها به جای اینکه مانند مولکول‌های گاز برای به تعادل رسیدن با هم مخلوط شوند، ارتباط کوانتومی عمیقی با یکدیگر ایجاد می‌کنند که درهم ‌تنیدگی نام دارد. لوکین در این رابطه گفت:
تنها درهم‌ تنیدگی گسترش خواهد یافت و بدین گونه سیستم به تعادل گرمایی می‌رسد.
 
درهم‌تنیدگی معمولا در شبیه ‌ساز به وجود می‌آمد. با این حال، وقتی محققان آزمایش را با پیکربندی در حالت جابه‌جایی بین حالات پایه و برانگیخته شروع کردند، درهم‌تنیدگی بین ذرات به وجود آمد و سپس از بین رفت. در واقع سیستم، بین پیکربندی اولیه و تغییر آن نوسان می‌کرد.
این رفتار غیر محتمل به نظر نمی‌رسد. اگر اتم‌ها برهمکنش با یکدیگر را آغاز کنند، الگوی متناوب جابه‌جایی آنها باید سریعا فراموش شود، زیرا اتم‌ها می‌توانند به تعداد بی‌شماری از ترتیب‌های ممکن حالات پایه و برانگیخته جابه‌جا شوند. این حالت مانند مثال کپسول غواصی است. اگر شیر کپسول باز شود، مولکول‌های هوا از پیکربندی اولیه‌ی خودشان فرار کرده و در اتاق پراکنده می‌شوند. مکان‌های زیادی وجود دارد که مولکول‌ها بروند، اما احتمال اینکه مولکول‌ها، به طور خودبه‌بخودی به داخل کپسول برگردند و فشرده شوند، عملا صفر است. زلاتکو پاپیچ (Zlatko Papić)، فیزیکدان دانشگاه لیدز انگلستان می‌گوید:
سیستم کوانتومی حاضر می‌تواند در بسیاری از حالات ممکن وجود داشته باشد و برایش بسیار سخت است محل و حالت اولیه‌ی خود را پیدا کرده و به آن‌ برگردد.
اما این دقیقا همان چیزی است که لوکین ادعا کرده آن را مشاهده کرده است. به نظر می‌رسد فیزیک‌های خاصی به این سیستم نفوذ کرده‌اند که به آن امکان می‌دهند مسیرش را دوباره پیدا کند. پاپیچ می‌گوید:
سیستم در مسیرش خرده‌ نان‌هایی را به عنوان نشانه قرار می‌دهد و بدین ترتیب به جایی که از آن آمده، بازمی‌گردد.
لوکین می‌گوید:
این اولین کشف حقیقی است که توسط یک ماشین کوانتومی انجام شده است.
زخم‌ها در یک استادیوم
پاپیچ و همکارانش کمی بعد متوجه شدند این رفتار یادآور پدیده‌ای است که تقریبا 30 سال پیش کشف شده بود. در دهه‌ی 1980، اریک هلر (Eric Heller) فیزیکدان هاروارد، آشوب کوانتومی (quantum chaos) را بررسی می‌کرد: اگر مکانیک کوانتومی را به یک سیستم آشوبناک اعمال کنید، چه اتفاقی می‌افتد؟ بطور خاص، هلر چگونگی حرکت یک توپ بیلیارد را در استادیوم بونیموویچ (Bunimovich stadium)، که مستطیلی با گوشه‌های دوار است، در نظر گرفت. این سیستم آشوبناک است. در مدت زمان کافی، توپ بیلیارد هر مسیر ممکن داخل استادیوم را خواهد پیمود. اما اگر در ابتدا، شما توپ را در زاویه‌ی مشخصی پرتاب کنید، آن توپ همان مسیر را تا ابد دوباره طی خواهد کرد.
در یک آزمایش فکری، هلر توپ را با یک ذره‌ی کوانتومی جایگزین کرد. حال اگر به این سیستم قوانین مکانیک کوانتومی را نیز اضافه کنیم، پاپیچ راجع به رفتار سیستم می‌گوید:
اگر سیستم کلاسیکی شما از قبل آشوبناک باشد،‌ شما باید انتظار رفتار آشوبناک‌تری داشته باشید.
تابع موج ذره باید در سراسر استادیوم منتشر شود، درست مانند امواج آب که تمام سطح یک حوضچه را مواج می‌کنند. احتمال پیدا کردن ذره در هر جای استادیوم، باید یکسان باشد.
هلر کشف کرد که تابع موج ذره به جای گسترش در سراسر استادیوم، در طول همان مسیری متمرکز می‌شود که در نمونه‌ی خاص کلاسیکی، توپ آن مسیر را دوباره طی می‌کند. این پدیده به گونه‌ای است که گویی امواج دارای حافظه‌ای برای به خاطر سپردن این مسیر هستند. هلر می‌گوید:
این کار برای آن‌ها مانند رفتن به خانه است. آن‌ها واقعا دوست دارند به جایی برگردند که متولد شده‌اند. به همین سادگی!
 
وقتی موج ذره در طول این مسیر منتشر می‌شود،‌ با خودش تداخل سازنده ایجاد می‌کند، قله‌ها با قله‌ها و دره‌ها با دره‌ها. در نتیجه، بسیار محتمل است که ذره در جایی در طول این مسیر باقی بماند. توزیع احتمالی ذره روی یک نمودار، مشابه مسیرهای تناوبی کلاسیکی است. هلر در مقاله‌ی خودش در سال 1984، این پدیده را اینطور بیان می‌کند که:
آن‌ها برای من، مانند زخم به نظر می‌رسند.
پایپچ معتقد است شاید یک پدیده‌ی مشابه بتواند توضیح دهد چرا سیستم 51 اتمی اصرار داشت به پیکربندی اولیه‌اش بازگردد. شاید بیش از اندازه درگیر غم هجران میهنش بوده است!
بریدنی که عامل زخم است
برای درک بهتر این پدیده، پاپیچ و همکارانش حالات کوانتومی یک سیستم 51 اتمی را تحلیل کردند. آن‌ها متوجه شدند رفتار نوسانی عجیب سیستم، در حقیقت مشابه زخم کوانتومی هلر به نظر می‌رسد. آن‌ها حالاتی را شناسایی کردند که مشابه حالات خاص متناظر با مسیرهای نشان‌گذاری شده بودند. سیستم با بازگشت متناوب به آن حالات می‌توانست از رسیدن به تعادل گرمایی دوری کند. ارتباط بین زخم کوانتومی و این پدیده، به اندازه‌ای شبیه بود که نویسندگان این پدیده را  با عبارت زخم بس ذره ای کوانتومی در مقاله‌ی سال گذشته‌ی خود در مجله‌ی Nature Physics بیان کردند.
برخلاف تردیدهای اولیه نسبت به تحلیل پاپیچ، لوکین همراه با ون وی هو (Wen Wei Ho)، فیزیکدانی در هاروارد، ارتباط آن به زخم کوانتومی را به طور واضح‌تری در مقاله‌ای که در ماه ژانویه منتشر شد، نشان دادند. آن‌ها موفق به شناسایی یک روش کلاسیک شدند تا از طریق آن بتوانند حالت سیستم 51 اتمی را به عنوان یک نقطه در فضای مجرد توصیف کنند. با تغییر حالت سیستم، نقطه‌ی متناظر نیز حرکت می‌کرد. محققان متوجه شدند وقتی سیستم وارد نوسان اسرارآمیز خود می‌شود، نقطه‌ی متناظر نیز به عقب و جلو حرکت می‌کند. این حرکت نقطه، مانند مسیرهای تناوبی ویژه‌ی یک توپ در میز بیلیارد است. محققان با یافتن نمونه‌ی مشابه کلاسیکی برای پدیده‌ای که هلر کشف کرده بود، نظریه‌ای را قوت بخشیدند که پدیده‌ی تک ذره‌ای هلر را به یک سیستم بس ذره‌ای تعمیم می‌داد.
چیزی که بسیار واضح است، تاثیر این پژوهش‌ها در برانگیختن شور و اشتیاق محققان زیادی در سراسر دنیاست. گروهی در کلتک، عبارات ریاضی را شناسایی کرده‌اند که برخی از حالات به خصوص زخم کوانتومی سیستم 51 اتمی را نشان می‌دهد. گروهی دیگر در دانشگاه پرینستون پیشنهاد داده‌اند که زخم‌ها می‌توانند یک پدیده‌ی وسیع‌تر با کاربردهایی در زمینه‌های متنوع فیزیک ماده چگال باشند. هو می‌گوید:
ما فکر می‌کنیم اتفاقات درون سیستم را درک می‌کنیم، اما هنوز یک دستورالعمل عمومی برای وقتی که بتوانیم سایر مسیرهای نشانه‌گذاری شده‌ را پیدا کنیم، نداریم.
و سوال‌های عمیق‌تر باقی مانده‌اند. ودیکا خمانی ( Vedika Khemani)، فیزیک‌دانی از هاروارد که در این پروژه حضور نداشته است، می‌گوید: «زخم‌ها، توصیف خوبی برای این مسئله هستند، اما من فکر می‌کنم ما هنوز درکی از علت زخم نداریم.»
ساختار در تصادف
علی‌رغم این همه سوال بی‌پاسخ، زخم بس ‌ذره ‌ای کوانتومی فیزیک‌دانان را هیجان‌زده می‌کند، زیرا می‌تواند دسته‌ی جدیدی از سیستم‌های کوانتومی را نمایش دهد.
در طول چند سال گذشته، فیزیکدانان در جستجوی دسته‌ی دیگری از پدیده‌ها بودند که محلی سازی بس ذره ‌ای (many-body localization) نامیدند. در این دسته، ناخالصی‌های تصادفی مانع از به تعادل رسیدن سیستم می‌شوند. مثلا گله‌ای از گاوها را در نظر بگیرید که در یک چراگاه مسطح چرا می‌کنند. گاو‌ها، درنهایت باید در سراسر چراگاه پخش شوند. این حالت را به تعادل رسیدن گاوی می‌نامیم. اما اگر این چراگاه دارای تپه‌های تصادفی باشد، گاوها در دره‌ها متمرکز خواهند شد. بطور مشابه،‌ سیستم کوانتومی بس ذره ‌ای نشانه‌گذاری شده، یک سیستم آشوبناک در حال متعادل شدن نیست و چیزی شبیه تپه‌های چراگاه ندارد. پاپیچ می‌گوید:
این مشاهده، پیشنهاد می‌کند که دسته‌ی جدیدی از سیستم‌ها، بین این دو حالت وجود دارند.
شاید سیستم 51 اتمی، چیزی (یا حداقل نزدیک به چیزی) باشد که یک سیستم قابل یکپارچه سازی (integrable system) نامیده می‌شود. چنین سیستمی، مورد منزوی و خاصی با محدودیت‌ها و ویژگی‌های بسیار است و به گونه‌ای تنظیم شده‌ که مانع از به تعادل رسیدن آن می‌شود. بنابراین اگر سیستم نشانه‌گذاری شده، قابل یکپارچه سازی باشد، باید نمونه‌ی منحصر بفردی از دسته‌ی بزرگی از پدیده‌ها باشد.
دهه‌هاست فیزیکدانان سیستم‌های قابل یکپارچه سازی را مطالعه می‌کنند. با توجه به گفته‌های پاپیچ، اگر این سیستم یکپارچه باشد، پیامدهای آن، نسبت به حالتی که یک سیستم کوانتومی منحصر بفرد باشد، کمتر متقاعد کننده است. پاپیچ، هو و لوکین مقاله‌ای نوشته‌اند که در رد این احتمال بحث می‌کند.
این کشف فارغ از اینکه آیا زخم بس ‌ذره ‌ای کوانتومی واقعا دسته‌ی جدیدی از رفتار کوانتومی است یا نه،‌ به چشم‌انداز خیره‌کننده‌ای اشاره می‌کند که ممکن است در آینده برای بهبود کامپیوترهای کوانتومی باز شود.
یکی از چالش‌های ساخت کامپیوتر کوانتومی، محافظت از کیوبیت‌های شکننده‌ و حساس آن است. هرگونه اختلال یا آشفتگی از محیط خارجی می‌تواند منجر به تعادل گرمایی کیوبیت‌ها، پاک شدن اطلاعات ذخیره شده و در نتیجه بی‌فایده شدن کامپیوتر کوانتومی شود. هو می‌گوید:
اگر شما بتوانید یک راه عمومی پیدا کنید تا نشانه‌گذاری یا زخم را به سیستم‌های دیگر القا کنید، آنگاه می‌توانید از اطلاعات کوانتومی به مدت طولانی محافظت کنید.
زخم بس ‌ذره ‌ای کوانتومی ممکن است راهی برای نگه‌داشتن قوی حافظه، پیش روی کامپیوتر بگذارد. در اینصورت، گذشته، قبل از اینکه آشوب تعادل گرمایی، اطلاعات را از بین ببرد، حفظ می‌شود.
پاپیچ می‌گوید:
اگر ساختار زیبایی وجود داشته باشد که به گونه‌ای با یک محیط کاملا تصادفی، همزیستی کند، کدام فیزیک این اجازه را به آن می‌دهد؟ این یک سوال اساسی و عمیق است که در بسیاری از عرصه‌های فیزیک وجود دارد.
منبع: quantamagazine

كلمات كليدي :
زخم بس ذره ای کوانتومی
بيشتر