شکل‌گیری حالت‌های محدود محکم فوتون‌های متقابل – وبلاگ هوش مصنوعی گوگل

ارسال شده توسط الکسیس موروان و تروند اندرسن، دانشمندان پژوهشگر، هوش مصنوعی کوانتومی گوگل

زمانی که کامپیوترهای کوانتومی برای اولین بار پیشنهاد شدند، امیدوار بودند که راهی برای درک بهتر دنیای کوانتومی باشند. با یک به اصطلاح «شبیه‌ساز کوانتومی»، می‌توان یک کامپیوتر کوانتومی را برای بررسی چگونگی ظهور پدیده‌های کوانتومی مختلف، از جمله آن‌هایی که شبیه‌سازی با رایانه‌های کلاسیک غیرقابل حل هستند، مهندسی کرد.

اما ساخت یک شبیه ساز کوانتومی مفید یک چالش بوده است. تاکنون، شبیه‌سازی‌های کوانتومی با کیوبیت‌های ابررسانا عمدتاً برای تأیید پیش‌بینی‌های نظری از قبل موجود استفاده می‌شده و به ندرت پدیده‌های جدیدی را کشف یا کشف کرده‌اند. تنها چند آزمایش با یون های به دام افتاده یا اتم های سرد، بینش های جدیدی را نشان داده است. کیوبیت‌های ابررسانا، اگرچه یکی از نامزدهای اصلی برای محاسبات کوانتومی جهانی هستند و توانایی‌های محاسباتی فراتر از دسترس کلاسیک را نشان داده‌اند، تاکنون پتانسیل خود را برای کشف ارائه نکرده‌اند.

در “تشکیل حالت های محدود قوی فوتون های متقابل” منتشر شده در طبیعت، ما یک پدیده قبلاً پیش بینی نشده را توصیف می کنیم که برای اولین بار از طریق تحقیقات تجربی کشف شد. ابتدا، ما تأیید تجربی پیش‌بینی نظری وجود ذره‌ای ترکیبی از فوتون‌های برهمکنش، یا یک حالت محدود را با استفاده از پردازشگر کوانتومی Google Sycamore ارائه می‌کنیم. دوم، در حین مطالعه این سیستم، متوجه شدیم که حتی با وجود اینکه می‌توان حدس زد که حالت‌های محدود شکننده هستند، اما در برابر آشفتگی‌هایی که انتظار داشتیم در غیر این صورت آنها را از بین ببرند، مقاوم می‌مانند. این نه تنها امکان طراحی سیستم‌هایی را باز می‌کند که از برهمکنش‌های بین فوتون‌ها استفاده می‌کنند، بلکه گامی رو به جلو در استفاده از پردازنده‌های کوانتومی ابررسانا برای انجام اکتشافات علمی جدید با شبیه‌سازی دینامیک کوانتومی غیرتعادلی است.

بررسی اجمالی

فوتون ها یا کوانت پرتوهای الکترومغناطیسی مانند نور و امواج مایکروویو معمولاً برهم کنش ندارند. به عنوان مثال، دو پرتو چراغ قوه متقاطع بدون مزاحمت از یکدیگر عبور می کنند. در بسیاری از کاربردها، مانند ارتباطات راه دور، برهمکنش ضعیف فوتون ها یک ویژگی ارزشمند است. برای کاربردهای دیگر، مانند کامپیوترهای مبتنی بر نور، فقدان برهمکنش بین فوتون ها یک نقص است.

در یک پردازنده کوانتومی، کیوبیت‌ها میزبان فوتون‌های مایکروویو هستند که می‌توانند از طریق عملیات دو کیوبیت برهمکنش کنند. این به ما امکان می دهد مدل XXZ را شبیه سازی کنیم، که رفتار آن را توصیف می کند در حال تعامل فوتون ها نکته مهم این است که این یکی از معدود نمونه‌های مدل‌های ادغام‌پذیر است، یعنی یکی با درجه بالایی از تقارن که پیچیدگی آن را تا حد زیادی کاهش می دهد. وقتی مدل XXZ را روی پردازنده Sycamore پیاده‌سازی می‌کنیم، چیز قابل توجهی را مشاهده می‌کنیم: فعل و انفعالات فوتون‌ها را به بسته‌هایی که به عنوان حالت‌های محدود شناخته می‌شوند، وادار می‌کنند.

با استفاده از این مدل به خوبی درک شده به عنوان نقطه شروع، ما مطالعه را به سمت یک رژیم کمتر درک شده سوق می دهیم. ما سطح بالایی از تقارن های نمایش داده شده در مدل XXZ را با افزودن مکان های اضافی که می توانند توسط فوتون ها اشغال شوند، می شکنیم و سیستم را دیگر یکپارچه نمی کنیم. در حالی که انتظار می‌رود این رژیم غیرقابل ادغام رفتار آشفته‌ای از خود نشان دهد که در آن دولت‌های مقید در خود منفرد و معمولی خود منحل می‌شوند، در عوض متوجه می‌شویم که آنها زنده می‌مانند!

فوتون های مقید

برای مهندسی سیستمی که بتواند از تشکیل حالت‌های محدود پشتیبانی کند، حلقه‌ای از کیوبیت‌های ابررسانا را مطالعه می‌کنیم که میزبان فوتون‌های مایکروویو هستند. اگر فوتون وجود داشته باشد، مقدار کیوبیت “1” و اگر نه، مقدار “0” است. از طریق دروازه کوانتومی به اصطلاح “fSim”، ما سایت‌های همسایه را به هم متصل می‌کنیم و به فوتون‌ها اجازه می‌دهیم به اطراف بپرند و با فوتون‌های دیگر در نزدیک‌ترین مکان‌های همسایه تعامل داشته باشند.

کیوبیت‌های ابررسانا را می‌توان با فوتون‌های مایکروویو اشغال یا خالی کرد. عملیات گیت “fSim” به فوتون‌ها اجازه می‌دهد تا پرش کرده و با یکدیگر تعامل داشته باشند. تکامل واحد متناظر دارای یک اصطلاح پرش بین دو محل (نارنجی) و یک اصطلاح برهمکنش مربوط به یک فاز اضافه شده است که دو مکان مجاور توسط یک فوتون اشغال شده است.

ما گیت fSim را بین کیوبیت های همسایه پیاده سازی می کنیم (ترک کردبرای تشکیل حلقه ای از 24 کیوبیت به هم پیوسته که بر روی آن رفتار فوتون های برهم کنش را شبیه سازی می کنیم (درست).

فعل و انفعالات بین فوتون ها به اصطلاح “فاز” آنها را تحت تأثیر قرار می دهد. این فاز نوسان تابع موج فوتون را دنبال می کند. هنگامی که فوتون ها برهم کنش ندارند، تجمع فاز آنها نسبتاً جالب نیست. مانند یک گروه کر که به خوبی تمرین شده است، همه آنها با یکدیگر هماهنگ هستند. در این حالت، فوتونی که در ابتدا در کنار فوتون دیگری قرار داشت، می‌تواند بدون خارج شدن از همگام شدن، از همسایه خود دور شود. همانطور که هر فرد در گروه کر به آهنگ کمک می کند، هر مسیر ممکنی که فوتون می تواند طی کند به عملکرد موج کلی فوتون کمک می کند. گروهی از فوتون‌ها که در ابتدا در مکان‌های همسایه جمع شده‌اند، به برهم‌نهی تمام مسیرهای ممکنی که هر فوتون ممکن است طی کرده باشد، تبدیل می‌شوند.

وقتی فوتون ها با همسایگان خود برهم کنش می کنند، دیگر اینطور نیست. اگر یک فوتون از همسایه خود فاصله بگیرد، سرعت انباشت فاز آن تغییر می کند و با همسایگان خود هماهنگ نمی شود. تمام مسیرهایی که در آن فوتون ها از هم جدا می شوند، همپوشانی دارند و منجر به تداخل مخرب می شود. مثل این است که هر یک از اعضای گروه کر با سرعت خاص خود آواز می‌خواند – خود آهنگ از بین می‌رود و تشخیص آن از میان هیاهوی هر خواننده غیرممکن می‌شود. در میان تمام مسیرهای پیکربندی ممکن، تنها سناریوی ممکنی که باقی می‌ماند، پیکربندی است که در آن همه فوتون‌ها در یک حالت محدود در کنار هم قرار می‌گیرند. به همین دلیل است که برهمکنش می تواند باعث افزایش و تشکیل یک حالت محدود شود: با سرکوب همه احتمالات دیگری که در آن فوتون ها به یکدیگر متصل نیستند.

ترک کرد: تکامل فوتون های برهم کنش در حال تشکیل یک حالت محدود. درست: زمان از چپ به راست می رود، هر مسیر نشان دهنده یکی از مسیرهایی است که می تواند حالت پیوند 2 فوتونی را بشکند. به دلیل فعل و انفعالات، این مسیرها به طور مخربی تداخل پیدا می کنند و از جدا شدن فوتون ها جلوگیری می کنند.

احتمال اشغال در مقابل چرخه دروازه، یا گام زمانی گسسته، برای n-حالات محدود به فوتون ما حالت های مقید را با اندازه های مختلف آماده می کنیم و تکامل آنها را تماشا می کنیم. مشاهده می کنیم که اکثر فوتون ها (رنگ های تیره تر) به هم متصل می مانند.

در پردازنده ما، با قرار دادن دو تا پنج فوتون در مکان‌های مجاور شروع می‌کنیم (یعنی دو تا پنج کیوبیت مجاور را در “1” و بقیه کیوبیت‌ها را در “0” مقداردهی می‌کنیم)، و سپس نحوه انتشار آنها را مطالعه می‌کنیم. اول، ما متوجه می شویم که در رژیم پارامتری پیش بینی شده نظری، آنها به هم چسبیده می مانند. در مرحله بعد، متوجه می‌شویم که حالت‌های محدود بزرگ‌تر آهسته‌تر در اطراف حلقه حرکت می‌کنند، مطابق با این واقعیت که آنها «سنگین‌تر» هستند. این را می توان در نمودار بالا مشاهده کرد که در آن محل های شبکه نزدیک به سایت 12، موقعیت اولیه فوتون ها، با افزایش تعداد فوتون ها، تیره تر از بقیه باقی می مانند.n_ph) در حالت محدود، نشان می دهد که با اتصال فوتون های بیشتر به یکدیگر، انتشار کمتری در اطراف حلقه وجود دارد.

حالت های محدود مانند ذرات مرکب منفرد رفتار می کنند

برای اینکه با دقت بیشتری نشان دهیم که حالت‌های محدود واقعاً به صورت ذرات منفرد با ویژگی‌های فیزیکی کاملاً مشخص رفتار می‌کنند، روشی برای اندازه‌گیری چگونگی تغییر انرژی ذرات با تکانه، یعنی رابطه پراکندگی انرژی – تکانه ابداع کردیم.

برای اندازه‌گیری انرژی حالت محدود، از این واقعیت استفاده می‌کنیم که تفاوت انرژی بین دو حالت تعیین می‌کند که فاز نسبی آنها با زمان چقدر سریع رشد می‌کند. از این رو، حالت محدود را در یک برهم نهی با حالتی که فوتون ندارد، آماده می کنیم و اختلاف فاز آنها را تابعی از زمان و مکان می سنجیم. سپس، برای تبدیل نتیجه این اندازه گیری به یک رابطه پراکندگی، از تبدیل فوریه استفاده می کنیم که موقعیت و زمان را به ترتیب به تکانه و انرژی تبدیل می کند. ما با رابطه آشنای انرژی- تکانه تحریکات در یک شبکه باقی مانده ایم.

طیف سنجی حالت های محدود. ما انباشت فاز یک را با هم مقایسه می کنیم n– حالت محدود به فوتون با خلاء (بدون فوتون) به عنوان تابعی از محل شبکه و زمان. تبدیل فوریه دوبعدی رابطه پراکندگی شبه ذره حالت محدود را به دست می دهد.

شکستن یکپارچگی

سیستم فوق “ادغام پذیر” است، به این معنی که دارای تعداد کافی کمیت های ذخیره شده است که دینامیک آن به بخش کوچکی از فضای محاسباتی موجود محدود می شود. در چنین رژیم‌های ادغام‌پذیر، ظهور دولت‌های مقید چندان تعجب‌آور نیست. در واقع، حالت‌های محدود در سیستم‌های مشابه در سال 2012 پیش‌بینی شد، سپس در سال 2013 مشاهده شد. با این حال، این حالت‌های محدود شکننده هستند و معمولاً تصور می‌شود که وجود آنها از یکپارچگی ناشی می‌شود. برای سیستم های پیچیده تر، تقارن کمتری وجود دارد و یکپارچگی به سرعت از بین می رود. ایده اولیه ما این بود که بررسی کنیم که چگونه این حالت های محدود ناپدید می شوند، زیرا ما یکپارچگی را شکستیم تا صلبیت آنها را بهتر درک کنیم.

برای شکستن قابلیت یکپارچگی، ما تغییر می دهیم که کیوبیت ها با گیت های fSim متصل هستند. کیوبیت‌ها را اضافه می‌کنیم تا در مکان‌های متناوب، علاوه بر پرش به هر یک از دو محل نزدیک‌ترین همسایه، یک فوتون همچنین بتواند به محل سومی که به صورت شعاعی به سمت بیرون حلقه است، پرش کند.

در حالی که یک حالت محدود به بخش بسیار کوچکی از فضای فاز محدود می شود، ما انتظار داشتیم که رفتار آشفته مرتبط با شکستن یکپارچگی به سیستم اجازه دهد تا فضای فاز را آزادانه تر کشف کند. این باعث می شود حالت های محدود از هم جدا شوند. متوجه می شویم که اینطور نیست. حتی زمانی که گسیختگی یکپارچگی آنقدر قوی باشد که فوتون‌ها به همان اندازه که به هر یک از دو محل حلقه مجاور پرش می‌کنند، به همان اندازه به مکان سوم می‌پرند، حالت محدود دست‌نخورده باقی می‌ماند، تا اثر ناهمدوسی که باعث می‌شود آنها به آرامی تجزیه شوند. (برای جزئیات به مقاله مراجعه کنید).

بالا: هندسه جدید برای شکستن یکپارچگی. سایت های متناوب به سایت سومی متصل می شوند که به صورت شعاعی به سمت بیرون است. این پیچیدگی سیستم را افزایش می دهد و امکان رفتار بالقوه آشفته را فراهم می کند. پایین: علیرغم این پیچیدگی بیشتر که سیستم را فراتر از قابلیت یکپارچگی سوق می دهد، متوجه می شویم که حالت محدود 3 فوتون حتی برای یک اغتشاش نسبتاً بزرگ پایدار می ماند. احتمال باقی ماندن کران به دلیل عدم انسجام به آرامی کاهش می یابد (به مقاله مراجعه کنید).

نتیجه

ما هنوز توضیح قانع کننده ای برای این انعطاف پذیری غیرمنتظره نداریم. ما حدس می زنیم که ممکن است مربوط به پدیده ای به نام پیش گرم شدن باشد، که در آن مقیاس های انرژی نامتناسب در سیستم می تواند مانع از رسیدن یک سیستم به تعادل حرارتی به همان سرعتی شود که در غیر این صورت انجام می شد. ما معتقدیم که تحقیقات بیشتر امیدواریم به بینش‌های جدیدی در مورد فیزیک کوانتومی چند جسمی، از جمله تأثیر متقابل گرماسازی و یکپارچگی منجر شود.

سپاسگزاریها

مایلیم از کاترین مک کورمیک، ارتباط دهنده علوم کوانتومی خود برای کمک در نوشتن این پست وبلاگ تشکر کنیم.