مصادم جسيمات داخل حاسوب كمومي
لطالما كانت التصادمات إحدى الأدوات الرئيسية في الفيزياء لسبر البنية الداخلية للمادة. وتتيح المحاكيات الكمومية الآن إجراء التصادمات على عتاد كمومي، حيث يمكن ضبط شدة التفاعلات كما نشاء، من الضعيفة إلى القوية جدًا.
في المواد الحقيقية التي تتفاعل فيها الإلكترونات بقوة، تتحكم التصادمات بين أشباه الجسيمات (quasiparticles) — وهي إثارات جماعية تتصرف كالجسيمات — في كيفية انتقال الشحنة والطاقة. لكنها لا تُدرس عادةً إلا بشكل غير مباشر، عبر المطيافية. أما المحاكي الكمومي فيستطيع توليد أشباه جسيمات منفردة، وإطلاقها، ومشاهدة تصادمها في المكان والزمان.
قذيفتان متعاكستان
اختار تشان بين بارك ومون جيب بارك وزملاؤهما في جامعة هانيانغ في سيول وجامعة أجو في كوريا وجامعة ولاية أوهايو في الولايات المتحدة نموذجًا مدرسيًا للإلكترونات المتفاعلة، هو نموذج فيرمي-هوبارد. تقفز الإلكترونات من موقع إلى آخر على طول سلسلة، ويتنافر إلكترونان في الموقع نفسه بطاقة U. وحين يكون في كل موقع إلكترون واحد بالضبط، تصبح السلسلة ما يُسمّى عازل موت (Mott insulator).
وعلى هذه الخلفية، يمكن لنوعين من الإثارات أن يحملا الشحنة:
- الدوبلون (doublon)، وهو موقع فيه إلكترونان؛
- الهولون (holon)، وهو موقع فارغ.
يتصرفان كجسيم وجسيمه المضاد. وكانت التصادمات بين أشباه جسيمات متطابقة قد دُرست من قبل؛ أما التصادم بين اثنين مختلفين، حُضّر كلٌّ منهما على حدة، فلم يُدرس.
بناء المصادم
رمّز الفريق سلسلة من 21 موقعًا على 42 كيوبتًا من معالج IBM الكمومي فائق التوصيل ibm_boston، بواقع كيوبتين لكل موقع. ووضعوا دوبلونًا في جهة وهولونًا في الجهة الأخرى.
ولإطلاقهما، أوقفوا أولًا لفترة قصيرة القفز نحو الحافتين الخارجيتين، فلا تستطيع كل إثارة إلا التحرك نحو المركز — كبوابة انطلاق. ثم أعادوا كل القفزات وتركوا الحزمتين تلتقيان قرب المنتصف.
تطلّب تشغيل مثل هذه الدارات على عتاد اليوم المليء بالضجيج عناية كبيرة: فقد اختاروا أفضل الكيوبتات باختبارات أولية، وأجروا 70,000 قياس لكل نقطة بيانات، واستفادوا من حقيقة أن العدد الكلي للجسيمات يجب أن يبقى ثابتًا لتصحيح الأخطاء. وقارنوا كل شيء بحلّ نظري دقيق للنموذج يُعرف بـفرضية بيته (Bethe ansatz)، وبمحاكاة على حواسيب كلاسيكية.
العبور أم الارتداد أم كلاهما
- مع تنافر ضعيف (U = 1)، يعبر الدوبلون والهولون أحدهما الآخر ويواصلان طريقهما.
- مع تنافر قوي (U = 7)، يرتدّان. فلكي يتبادلا موقعيهما، عليهما المرور بترتيب وسيط يكلّف طاقة U، لذا يتصرفان ككرات صلبة.
- وفي الحالتين يغادران بالسرعة التي جاءا بها: التصادم مرن.
قاسوا احتمال العبور لقيم تنافر من 1 إلى 8. وهو يتبع النظرية الدقيقة دون أي معامل مضبوط — وهي سابقة لأشباه جسيمات هذا النموذج على عتاد كمومي، بحسب المؤلفين.
نصفٌ يعبر، ونصفٌ يرتدّ
عند تنافر متوسط (U = 3.5)، يحدث أمر غير مألوف: تختفي الشحنة تقريبًا بعد التصادم. ويكشف قياس الدوبلونات والهولونات كلٍّ على حدة السبب. فلم يتلاشَ أيٌّ منهما — إذ لا ينخفض عدد الدوبلونات — بل انتشر كلٌّ منهما إلى جانبي السلسلة. وتبدو الحالة الخارجة مزيجًا من «عبر» و«ارتدّ» بنسب متقاربة.
ومثل هذا التراكب يُشابك نصفي السلسلة الأيسر والأيمن. وقد رصده الفريق دون إعادة بناء كاملة للحالة الكمومية، بقياس مدى تقلّب عدد الجسيمات في النصف الأيسر من تشغيل إلى آخر. ويبلغ التقلّب أقصاه في النظام المتوسط.
وللمقارنة، استبدلوا بالهولون دوبلونًا ثانيًا. فالدوبلونان المتطابقان لا يمكنهما تبادل الموقعين، وبالفعل بدا تصادمهما شبه متطابق عند كل قيم التنافر، مع تقلّب شبه منعدم.
ما بقي إثباته
المؤلفون حذرون: تُظهر قياساتهم أن النتيجتين حاضرتان، وبأي نسب، لكنها لا تُثبت مباشرة أنهما متراكبتان تراكبًا متماسكًا. فهذا التفسير يستند إلى قوانين التطور الكمومي وإلى التوافق مع النظرية. ويمكن لتجربة تداخل أن تؤكده حين تصبح المحاكاة الأطول ممكنة — فبعد النافذة الزمنية المدروسة هنا، تجد حتى المحاكاة الكلاسيكية صعوبة في المواكبة.