แผนภาพแสดงอะตอมของสิ่งเจือปนที่พัฒนาเป็นอนุภาคควอซิเพิลเมื่อเวลาผ่านไป (แสดงด้วยนาฬิกา) ปฏิสัมพันธ์แบบอะนาล็อกภาพประกอบว่าอะตอมของสิ่งเจือปนอาจค่อยๆ พัฒนาไปเป็นอนุภาคควอซิเพิลโดยการโต้ตอบกับตัวกลางที่อยู่รอบข้าง กลไกนี้คล้ายกับวิธีที่อิเล็กตรอนสามารถบิดเบือนโครงตาข่ายคริสตัลเมื่อเคลื่อนผ่านของแข็ง ดังที่แสดงในส่วนแทรก
ทฤษฎีเกี่ยวกับรูปแบบของอนุภาคควอซิพิเคิล
มีมานานกว่า 80 ปีแล้ว แต่การสังเกตโดยตรงของกระบวนการนี้ยังคงเข้าใจยากเนื่องจากความท้าทายในการทดลอง ทีมนักวิจัยที่ศูนย์ระบบควอนตัมเชิงซ้อนมหาวิทยาลัย Aarhus ประเทศเดนมาร์ก ได้เอาชนะอุปสรรคเหล่านี้โดยศึกษาการก่อตัวและการเปลี่ยนแปลงของอนุภาคควอซิพิเคิลในอะตอมที่เย็นจัด นักฟิสิกส์ชาวโซเวียต Lev Landau ได้พัฒนาทฤษฎีของ quasiparticles ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นจากปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนระหว่างอนุภาคจริงจำนวนมากในช่วงทศวรรษที่ 1930 ทฤษฎีนี้ซึ่งยังคงใช้เป็นประจำในการใช้งานจริงตั้งแต่ความเป็นตัวนำยิ่งยวดไปจนถึงกระบวนการขนส่งในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ พิจารณาการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนผ่านของแข็งและอธิบายว่าอิเล็กตรอน (สิ่งเจือปนของควอนตัม) กระตุ้นการก่อตัวของควอซิอนุภาคภายในของแข็งอย่างไร
อะนาล็อกที่เย็นมากอย่างไรก็ตาม เนื่องจากความหนาแน่นสูงและช่วงเวลาที่รวดเร็วของระบบนี้ การทดลองจึงไม่สามารถตรวจสอบพฤติกรรมของอนุภาคควอซิอนุภาคโดยตรงในของแข็งได้ ทีม Aarhus ได้ศึกษาระบบอะนาล็อกแทน: อนุภาคกึ่งที่เรียกว่าโพลารอนในคอนเดนเสทของ Bose-Einstein (BEC) ก๊าซเจือจางของอะตอมที่เย็นจัดนี้ให้สภาพแวดล้อมที่บริสุทธิ์และควบคุมได้ เพื่อศึกษาพลวัตของควอนตัมของปรากฏการณ์ต่างๆ ในร่างกาย
ภาพถ่ายขององค์ประกอบออปติคัลที่ใช้ในการทดลอง อาบแสงสีม่วงจากเลเซอร์“Quasiparticles น่าสนใจอย่างยิ่งต่อการศึกษาเนื่องจากอาจประกอบด้วยอนุภาคจำนวนมากและการกระตุ้น” Magnus Skou นักศึกษาระดับปริญญาเอกที่ Aarhus อธิบาย “โพลารอนของ Bose เป็นตัวอย่างที่ดีเยี่ยมของอนุภาคควอซิเพิลที่ท้าทาย ซึ่งยังคงมีศักยภาพที่ดีในการช่วยให้เราเข้าใจเทคโนโลยีที่แปลกใหม่ เช่น เซมิคอนดักเตอร์อินทรีย์และตัวนำยิ่งยวด สิ่งนี้เป็นแรงบันดาลใจให้เราตรวจสอบโพลารอนในเมฆอะตอมที่เย็นจัด และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง เพื่อดูว่าเราสามารถสังเกตการก่อตัวของมันทีละน้อยได้หรือไม่”
ร่วมเป็นสักขีพยานการก่อตัวของโพลารอนโบส
ทีมงานได้สร้างสิ่งเจือปนไม่ใช่ด้วยอิเล็กตรอน แต่ด้วยการจัดการสถานะควอนตัมของอะตอมเพียงไม่กี่อะตอมในบีอีซี ผู้เขียนได้ระบุรูปแบบไดนามิกที่แตกต่างกันสามแบบผ่านแบบจำลองทางทฤษฎีของระบบเพื่ออธิบายสถานะของสิ่งเจือปน โดยการปรับความแรงของการโต้ตอบของอะตอมในคอนเดนเสทและพัฒนาการทดลองในระยะเวลาที่ต่างกัน กลุ่มทดลองได้ตรวจสอบแต่ละระบอบการปกครองเหล่านี้ การทดลองของพวกเขาซึ่ง Skou และเพื่อนผู้เขียนร่วม Kristian Nielsen อธิบายในวิดีโอที่โพสต์บน Twitterแสดงให้เห็นว่าสิ่งเจือปนค่อยๆพัฒนาขึ้นเพื่อสร้างโพลารอน
quasiparticles เชิงสัมพันธ์ลอดผ่านสิ่งกีดขวางที่มีการส่งสัญญาณ 100% ยืนยันการทำนายอายุหนึ่งศตวรรษ Skou คาดการณ์ว่าการทดลองของพวกเขาเสนอแนวทางที่มีแนวโน้มดีเพื่อให้เข้าใจปฏิสัมพันธ์ระหว่างควอซิอนุภาคได้ดีขึ้น “ตอนนี้เรามีความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับโพลารอนแล้ว” เขากล่าว “มันน่าสนใจที่จะศึกษาว่าพวกมันมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไร ปฏิกิริยาที่สลับซับซ้อนเหล่านี้ถูกคาดการณ์ไว้เมื่อเร็วๆ นี้เพื่อทำให้เกิดการก่อตัวของควอซิพิเคิลใหม่ที่เรียกว่าไบโพลารอน อนุภาคควอซิพิเคิลนี้ยังไม่ได้ถูกพบในก๊าซปรมาณูเย็นจัด แต่ตอนนี้เราเชื่อว่าการทดลองของเราอาจทำให้มองเห็นได้ในที่สุด”
นักวิจัยจากบริษัทคำนวณควอนตัมD-Wave Systemsได้แสดงให้เห็นว่าโปรเซสเซอร์ควอนตัมของพวกเขาสามารถจำลองพฤติกรรมของแม่เหล็กควอนตัมที่ “ควอนตัม” ได้เร็วกว่าเครื่องจักรแบบคลาสสิกมาก นำโดย Andrew King ผู้อำนวยการฝ่ายวิจัยประสิทธิภาพของ D-Wave ทีมงานได้ใช้โปรเซสเซอร์ควอนตัมเสียงรบกวนต่ำตัวใหม่เพื่อแสดงให้เห็นว่าการเพิ่มความเร็วของควอนตัมสำหรับการจำลองที่ยากขึ้น ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่าแม้แต่เครื่องจำลองควอนตัมในระยะใกล้ก็อาจมีข้อได้เปรียบเหนือวิธีการแบบคลาสสิกสำหรับปัญหาในทางปฏิบัติ เช่น การออกแบบวัสดุใหม่
เครื่องจำลอง D-Wave เป็นคอมพิวเตอร์ควอนตัม
เฉพาะทางที่เรียกว่าเครื่องหลอมควอนตัม เพื่อทำการจำลอง ควอนตัมบิต หรือ qubits ใน annealer จะถูกเตรียมข้อมูลเบื้องต้นในสถานะกราวด์แบบคลาสสิก และอนุญาตให้โต้ตอบและพัฒนาภายใต้เงื่อนไขที่ตั้งโปรแกรมไว้เพื่อเลียนแบบระบบเฉพาะ สถานะสุดท้ายของ qubits จะถูกวัดเพื่อเปิดเผยข้อมูลที่ต้องการ
King อธิบายว่าแม่เหล็กควอนตัมที่พวกเขาจำลองนั้นประสบกับความผันผวนของควอนตัม (ซึ่งนำไปสู่การพัวพันและการขุดอุโมงค์) และความผันผวนของความร้อน เอฟเฟกต์การแข่งขันเหล่านี้สร้างการเปลี่ยนเฟสโทโพโลยีที่แปลกใหม่ในวัสดุ ซึ่งเป็นหัวข้อของรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2559
ทีมแสดงผู้คนจำนวนมากยืนและนั่งหน้าโลโก้ D-Wave Quantum annealers : ในปี 2018 นักวิจัยใช้มากถึง 1440 qubits เพื่อจำลองแม่เหล็กควอนตัมของพวกเขา ในการศึกษาที่ตีพิมพ์ในNature Communicationsพวกเขารายงานว่าการจำลองแบบควอนตัมนั้นเร็วกว่าการจำลองแบบคลาสสิกที่สอดคล้องกันมากกว่าสามล้านเท่าโดยใช้อัลกอริธึมควอนตัมมอนติคาร์โล
ที่สำคัญ การทดลองยังแสดงให้เห็นว่าความเร็วของการจำลองควอนตัมปรับขนาดได้ดีกว่าด้วยความยากลำบากของปัญหามากกว่าแบบคลาสสิก ควอนตัมเร่งความเร็วเหนือวิธีการดั้งเดิมนั้นยิ่งใหญ่กว่าเมื่อนักวิจัยจำลองระบบที่เย็นกว่าด้วยเอฟเฟกต์ควอนตัมที่ใหญ่กว่า ความเร็วเพิ่มขึ้นเช่นกันเมื่อจำลองระบบที่ใหญ่ขึ้น ดังนั้นการเพิ่มความเร็วของควอนตัมจึงดีที่สุดสำหรับการจำลองที่ยากที่สุด ซึ่งอาจใช้เวลานานมากในอัลกอริธึมแบบคลาสสิก
ทีม D-Wave ได้ทำการจำลองแม่เหล็กควอนตัม ที่คล้ายกัน ในปี 2018 แต่ก็เร็วเกินไปที่จะวัดค่าไดนามิกของระบบอย่างแม่นยำ เพื่อชะลอการจำลอง นักวิจัยได้เพิ่มสิ่งกีดขวางทางทอพอโลยีที่เรียกว่าแม่เหล็กควอนตัม – โดยพื้นฐานแล้วเป็นการ “บิด” ในแม่เหล็กที่ต้องใช้เวลาในการคลี่คลาย เมื่อรวมกับโปรเซสเซอร์ควอนตัมเสียงรบกวนต่ำ การเพิ่มนี้ช่วยให้สามารถวัดไดนามิกของระบบได้อย่างแม่นยำ
“สิ่งกีดขวางทางทอพอโลยีสามารถดักจับการจำลองแบบคลาสสิกที่ใช้อัลกอริธึมควอนตัมมอนติคาร์โลได้ในขณะที่เครื่องหลอมควอนตัมสามารถหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวางผ่านอุโมงค์ได้” Daniel Lidar ผู้อำนวยการศูนย์วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสารสนเทศควอนตัมแห่งมหาวิทยาลัยเซาเทิร์นแคลิฟอร์เนียสหรัฐอเมริกาและ ไม่ได้เกี่ยวข้องกับการวิจัย “งานนี้แสดงให้เห็นถึงการเร่งความเร็วที่เกิดขึ้นจากปรากฏการณ์นี้ ซึ่งเป็นการสาธิตครั้งแรกในลักษณะดังกล่าว ผลลัพธ์นั้นน่าสนใจมากและแสดงให้เห็นว่าการหลอมด้วยควอนตัมมีแนวโน้มว่าเป็นเครื่องมือจำลองควอนตัม”
Credit : lameworldofkopa.net macguinnesswinemerchants.com malusimperium.org
