นักฟิสิกส์จาก University of Oxford ใช้ hybrid quantum computer จำลองผล Aharonov–Bohm ยืนยันอนุภาคหยุดเคลื่อนที่ได้แม้ไม่ได้สัมผัสสนามแม่เหล็ก

อนุภาคควอนตัมสามารถเคลื่อนที่ระหว่างสองตำแหน่งได้ผ่านกระบวนการที่เรียกว่าการโหนดผ่าน อย่างไรก็ตาม จะเกิดอะไรขึ้น หากอนุภาคตัวหนึ่งหยุดเคลื่อนที่อย่างกะทันหันเนื่องจากสนามแม่เหล็กที่มันไม่เคยมีปฏิสัมพันธ์โดยตรงเลย? นักฟิสิกส์จาก University of Oxford ใช้ hybrid quantum computer จำลองพฤติกรรมที่ขัดกับ直覺 นี้ แสดงให้เห็นถึงผล Aharonov–Bohm ที่เกิดขึ้นในระบบควอนตัมจำลอง ผล Aharonov–Bohm เกิดขึ้นเมื่ออนุภาคล้อมรอบพื้นที่ที่มี magnetic flux แม้มันจะไม่เคยผ่านสนามแม่เหล็กนั้นก็ตาม มันก็จะประสบการเปลี่ยนแปลงของ quantum phase

ในทดลองของ University of Oxford ผลนี้ทำให้เส้นทางที่เป็นไปได้ของอนุภาคสลายกันไป ทำให้การโหนดผ่านระหว่างสองตำแหน่งถูกยับยั้งอย่างสมบูรณ์ ผลค้นพบเหล่านี้อาจช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถจำลองปฏิสัมพันธ์พื้นฐานที่ยากต่อการสร้างโมเดลด้วยคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกได้

วิธีการทดลองของ University of Oxford

สร้าง quantum loop จาก trapped ions ในฟิสิกส์ทั่วไป อนุภาคที่มีประจุจะตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่พบเจอ อย่างไรก็ตาม กลศาสตร์ควอนตัมอนุญาตให้เกิดปรากฏการณ์ที่ละเอียดอ่อนกว่า อนุภาคขณะล้อมรอบพื้นที่ที่มี magnetic flux สามารถได้รับการเปลี่ยนแปลงของ phase ที่วัดได้ แม้มันจะไม่เคยเข้าไปในพื้นที่ที่สนามแม่เหล็กตั้งอยู่ นักฟิสิกส์ Yakir Aharonov และ David Bohm ทำนายผลนี้ในปี 1959 และต่อมายืนยันด้วยการทดลองด้วยอิเล็กตรอนจริง นักวิจัยของ Oxford กำลังศึกษาพฤติกรรมของปรากฏการณ์เดียวกันใน lattice gauge theory ซึ่งเป็นกรอบคณิตศาสตร์สำหรับอธิบายปฏิสัมพันธ์ระหว่างสสารและสนามในฟิสิกส์อนุภาค

ในทฤษฎีเหล่านี้ สสารครอบครองจุดบนกริด ในขณะที่ gauge fields เชื่อมต่อจุดเหล่านี้ เมื่อระบบเหล่านี้ใหญ่ขึ้น การคำนวณพฤติกรรมของมันด้วยคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกจะกลายเป็นเรื่องยากขึ้นเรื่อยๆ การจำลองควอนตัม (quantum simulation) ให้ทางเลือกหนึ่ง: นักวิจัยสร้างระบบทางกายภาพที่ปฏิบัติตามกฎพื้นฐานของโมเดลที่พวกเขาต้องการศึกษา จากนั้นสังเกตพฤติกรรมของมัน

ตั้งแต่ปี 2022 ผู้เขียนการวิจัยได้ดำเนินการทดลองเพื่อจำลอง lattice gauge theory ซึ่งเป็นกรอบสำหรับศึกษาว่าสสารปฏิสัมพันธ์กับ gauge fields อย่างไร ระบบ hybrid ของพวกเขารวมคอมโพเนนต์สองอย่างที่มีบทบาทต่างกัน Qubits ที่เข้ารหัสจาก internal electronic states ของ trapped ions แทน gauge fields Quantum oscillators ที่สอดคล้องกับ ion vibrations แทนสสาร นักวิจัยเชื่อมต่อสอง oscillators ด้วยสอง qubits ที่แทนสนามระหว่างพวกมัน ซึ่งแทนสสารที่สองตำแหน่ง คอมโพเนนต์เหล่านี้ร่วมกันสร้างเป็น loop ซึ่งเป็นบล็อกสร้างพื้นฐานของทฤษฎีนี้

ทีมใช้ digital operations เพื่อเตรียมและวัดระบบ ในขณะที่ analog quantum evolution ทำให้สามารถจำลองปฏิสัมพันธ์ได้

การเข้ารหัส magnetic flux แบบไดนามิก

magnetic flux ที่ยกเลิกการเคลื่อนที่ของอนุภาค นักวิจัยเตรียม qubits ทั้งสองอยู่ใน entangled state ซึ่งคุณสมบัติควอนตัมของมันเชื่อมโยงกันในลักษณะที่ไม่มี classical equivalent ในการจำลอง สถานะนี้แทน magnetic flux ที่ผ่าน loop การเข้ารหัส magnetic flux แบบนี้ในตอนแรกเป็น practical workaround ฮาร์ดแวร์ไม่สามารถให้ interaction ที่จำเป็นเพื่อนำ magnetic flux เข้ามาเป็น fixed background ได้ อย่างไรก็ตาม วิธีนี้ยังช่วยให้นักวิจัยสำรวจสิ่งที่น่าสนใจกว่า: gauge field ที่สามารถ evolve ตามสสารที่มันปฏิสัมพันธ์ได้ "ขั้นตอนที่น่าตื่นเต้นสำหรับเราคือการเข้ารหัส magnetic flux ใน gauge field ที่เป็น dynamic เอง"

สสารไม่ได้ evolve ใน fixed background อีกต่อไป แต่สสารและ gauge field กลายเป็นส่วนหนึ่งของ quantum dynamics เดียวกัน" นักวิจัยหลักและ postdoctoral researcher ของ University of Oxford คือ Sebastian Saner กล่าว

จากนั้น นักวิจัยสังเกตเห็นอนุภาคสสารหนึ่งโหนดผ่านระหว่างสองตำแหน่งของ loop เมื่อไม่มี magnetic flux อนุภาคสามารถโหนดผ่านได้อย่างอิสระ เมื่อนักวิจัยนำ magnetic flux เข้ามา สองเส้นทางที่เป็นไปได้เกิด destructive interference ยกเลิกกระบวนการโหนดผ่าน และทำให้ระบบกลับสู่ initial state "ในขณะนั้น เราสังเกตการแทรกสอดของ Aharonov–Bohm โดยใช้ dynamic gauge field ที่เข้ารหัส magnetic flux ซึ่งแสดงให้เห็นถึงปฏิสัมพันธ์ระหว่าง charge และ magnetic flux"

การประยุกต์ใช้ quantum simulation ในอนาคต

ขยาย quantum simulation สู่ fundamental interactions ทดลองนี้ให้วิธีการศึกษาว่าสสารและสนามแม่เหล็กปฏิสัมพันธ์กันอย่างไรในระบบควอนตัม ด้วยการพัฒนาต่อไป การจำลองแบบนี้อาจช่วยให้นักวิจัยสำรวจปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนกว่าที่คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกยากต่อการสร้างโมเดล ในงานวิจัยที่เกี่ยวข้อง ทีมที่นำโดยศาสตราจารย์ Norbert Linke ของ University of Maryland ใช้ hybrid quantum system จำลอง Yukawa potential ที่เกี่ยวข้องกับ nuclear physics และ particle physics งานวิจัยเหล่านี้ร่วมกันแสดงให้เห็นว่าสถาปัตยกรรมควอนตัมแบบไฮบริดช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สำรวจแรงและปฏิสัมพันธ์พื้นฐานที่ขึ้นรูปโลกทางกายภาพได้

งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature Physics