برخورددهندهٔ ذرات درون یک رایانهٔ کوانتومی
برخوردها از دیرباز یکی از ابزارهای اصلی فیزیک برای کاوش در ساختار درونی ماده بوده‌اند. شبیه‌سازهای کوانتومی اکنون امکان می‌دهند برخوردها روی سخت‌افزار کوانتومی اجرا شوند، جایی که شدت برهم‌کنش‌ها را می‌توان به دلخواه، از ضعیف تا بسیار قوی، تنظیم کرد.
در مواد واقعی که الکترون‌هایشان برهم‌کنش قوی دارند، برخورد میان شبه‌ذره‌ها — برانگیختگی‌های جمعی که مانند ذره رفتار می‌کنند — تعیین می‌کند بار و انرژی چگونه جابه‌جا شوند. با این حال معمولاً فقط به‌طور غیرمستقیم، از راه طیف‌سنجی، بررسی می‌شوند. یک شبیه‌ساز کوانتومی می‌تواند شبه‌ذره‌های منفرد بسازد، پرتابشان کند و برخوردشان را در فضا و زمان تماشا کند.
دو پرتابهٔ متضاد
چان بین بارک، مون جیپ پارک و همکارانشان در دانشگاه هانیانگ در سئول، دانشگاه آجو در کره و دانشگاه ایالتی اوهایو در ایالات متحده، یک مدل درسیِ الکترون‌های برهم‌کنش‌کننده را برگزیدند: مدل فرمی-هابارد (Fermi-Hubbard). الکترون‌ها در امتداد یک زنجیره از جایگاهی به جایگاه دیگر می‌جهند و دو الکترون در یک جایگاه با انرژی U یکدیگر را دفع می‌کنند. با دقیقاً یک الکترون در هر جایگاه، زنجیره به آنچه عایق موت (Mott insulator) نامیده می‌شود بدل می‌شود.
روی این زمینه، دو نوع برانگیختگی می‌توانند بار حمل کنند:
- دوبلون، جایگاهی با دو الکترون؛
- هولون، جایگاهی خالی.
این دو مانند یک ذره و پادذره‌اش رفتار می‌کنند. برخورد میان شبه‌ذره‌های یکسان پیش‌تر بررسی شده بود؛ برخورد میان دو شبه‌ذرهٔ متفاوت که هر کدام جداگانه آماده شده باشند، نه.
ساختن برخورددهنده
گروه زنجیره‌ای از ۲۱ جایگاه را روی ۴۲ کیوبیت پردازندهٔ کوانتومی ابررسانای IBM به نام ibm_boston رمزگذاری کرد، دو کیوبیت برای هر جایگاه. یک دوبلون را در یک سو و یک هولون را در سوی دیگر گذاشتند.
برای پرتابشان، نخست جهش به سوی لبه‌های بیرونی را برای مدت کوتاهی خاموش کردند، تا هر برانگیختگی فقط بتواند به سوی مرکز حرکت کند — مثل دروازهٔ آغاز مسابقه. سپس همهٔ جهش‌ها را برگرداندند و گذاشتند دو بسته نزدیک میانه به هم برسند.
اجرای چنین مدارهایی روی سخت‌افزار پرنویز امروزی دقت می‌طلبید: بهترین کیوبیت‌ها را با آزمون‌های مقدماتی برگزیدند، ۷۰٬۰۰۰ اندازه‌گیری برای هر نقطهٔ داده انجام دادند، و از این واقعیت که شمار کل ذرات باید ثابت بماند برای تصحیح خطاها بهره گرفتند. همه‌چیز را با یک جواب نظری دقیق مدل، موسوم به انزاتس بته (Bethe ansatz)، و با شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای کلاسیک مقایسه کردند.
گذشتن، برجهیدن، یا هر دو
- با دافعهٔ ضعیف (U = ۱)، دوبلون و هولون از میان هم می‌گذرند و به راهشان ادامه می‌دهند.
- با دافعهٔ قوی (U = ۷)، برمی‌جهند. برای جابه‌جا شدن، باید از آرایشی میانی بگذرند که انرژی U هزینه دارد، پس مانند توپ‌های سخت رفتار می‌کنند.
- در هر دو حالت با همان سرعتی که آمده‌اند دور می‌شوند: برخورد کشسان است.
آن‌ها احتمال گذشتن را برای دافعه‌های ۱ تا ۸ اندازه گرفتند. این احتمال بدون هیچ پارامتر تنظیم‌شده‌ای از نظریهٔ دقیق پیروی می‌کند — به گفتهٔ نویسندگان، نخستین بار برای شبه‌ذره‌های این مدل روی سخت‌افزار کوانتومی.
نیمی گذشت، نیمی برگشت
در دافعه‌ای میانی (U = ۳٫۵)، چیزی غیرعادی رخ می‌دهد: بار پس از برخورد تقریباً ناپدید می‌شود. اندازه‌گیری جداگانهٔ دوبلون‌ها و هولون‌ها دلیلش را نشان می‌دهد. هیچ‌کدام از بین نرفته‌اند — شمار دوبلون‌ها کم نمی‌شود — اما هر کدام به هر دو سوی زنجیره پخش شده‌اند. حالت خروجی به آمیزه‌ای از «گذشت» و «برگشت» با سهم‌هایی قابل‌مقایسه می‌ماند.
چنین برهم‌نهی‌ای نیمه‌های چپ و راست زنجیره را درهم‌تنیده می‌کند. گروه آن را بدون بازسازی کامل حالت کوانتومی آشکار کرد، با اندازه‌گیری این‌که شمار ذرات در نیمهٔ چپ از یک اجرا به اجرای بعد چقدر افت‌وخیز دارد. افت‌وخیز در رژیم میانی بیشینه است.
به‌عنوان کنترل، هولون را با دوبلون دوم جایگزین کردند. دو دوبلون یکسان نمی‌توانند جایشان را عوض کنند، و به‌راستی برخوردشان در همهٔ دافعه‌ها تقریباً یکسان به نظر می‌رسید، با افت‌وخیزی نزدیک به صفر.
آنچه هنوز باید نشان داده شود
نویسندگان محتاط‌اند: اندازه‌گیری‌هایشان نشان می‌دهد که هر دو پیامد حضور دارند و با چه سهم‌هایی، اما مستقیماً ثابت نمی‌کند که این دو به‌طور همدوس برهم‌نهاده شده‌اند. این تفسیر بر قوانین تحول کوانتومی و بر همخوانی با نظریه تکیه دارد. یک آزمایش تداخلی می‌تواند وقتی شبیه‌سازی‌های طولانی‌تر ممکن شوند آن را تأیید کند — فراتر از پنجرهٔ زمانی بررسی‌شده در این‌جا، حتی شبیه‌سازی‌های کلاسیک هم به‌سختی پابه‌پا می‌آیند.