NA'URAR KARO TA ƘWAYOYI A CIKIN KWAMFUTAR QUANTUM

Karo ya daɗe yana ɗaya daga cikin manyan kayan aikin kimiyyar lissafi don binciken tsarin ciki na kayan halitta. Masu kwaikwayon quantum yanzu suna ba da damar gudanar da karo a kan na’urorin quantum, inda za a iya daidaita ƙarfin mu’amala yadda ake so, daga mara ƙarfi zuwa mai ƙarfi sosai.

A cikin kayan gaske inda electrons ke mu’amala da ƙarfi, karo tsakanin quasiparticles — girgizar gama-gari da ke yin hali kamar ƙwayoyi — ne ke tafiyar da yadda caji da makamashi ke motsawa. Duk da haka galibi ana nazarin su ne a kaikaice kawai, ta hanyar spectroscopy. Mai kwaikwayon quantum zai iya ƙirƙirar quasiparticles ɗaya-ɗaya, ya harba su, kuma ya kalli yadda suke karo a wuri da lokaci.

Majigai biyu masu saɓani

Chan Bin Bark, Moon Jip Park da abokan aikinsu a Jami’ar Hanyang a Seoul, Jami’ar Ajou a Koriya da Jami’ar Ohio State a Amurka, sun zaɓi wata ƙirar littafi ta electrons masu mu’amala, wato Fermi-Hubbard model. Electrons suna tsalle daga wuri zuwa wuri a kan sarƙa, kuma electrons biyu a wuri ɗaya suna ƙin juna da makamashi U. Da electron ɗaya daidai a kowane wuri, sarƙar ta zama abin da ake kira Mott insulator.

A kan wannan bango, nau’ikan girgiza biyu za su iya ɗaukar caji:

• doublon, wuri mai electrons biyu;
• holon, wuri babu komai.

Suna yin hali kamar ƙwaya da antiparticle ɗinta. An taɓa nazarin karo tsakanin quasiparticles iri ɗaya; karo tsakanin guda biyu daban-daban, kowanne an shirya shi ɗaya-ɗaya, ba a taɓa yi ba.

Gina na’urar karo

Ƙungiyar ta tsara sarƙar wurare 21 a kan qubits 42 na na’urar sarrafawa ta quantum mai superconducting ta IBM, ibm_boston, qubits biyu ga kowane wuri. Sun sanya doublon a gefe ɗaya da holon a ɗayan gefen.

Don harba su, da farko sun kashe tsalle zuwa ga gefuna na waje na ɗan lokaci kaɗan, ta yadda kowace girgiza za ta iya motsawa zuwa tsakiya kawai — kamar ƙofar farawa a tsere. Sannan suka maido da dukan tsalle kuma suka bar fakiti biyun su haɗu kusa da tsakiya.

Gudanar da irin waɗannan da’irori a kan na’urorin yau masu hayaniya ya buƙaci kulawa: sun zaɓi mafi kyawun qubits ta gwaje-gwajen farko, sun yi auna 70,000 ga kowane wurin bayanai, kuma sun yi amfani da gaskiyar cewa jimillar adadin ƙwayoyi dole ne ya tsaya ɗaya don gyara kurakurai. Sun kwatanta komai da wata cikakkiyar mafitar ka’ida ta ƙirar, da aka sani da Bethe ansatz, da kuma kwaikwayon kwamfutoci na yau da kullum (classical).

Ratsawa, billowa, ko duka biyun

• Da ƙin juna mara ƙarfi (U = 1), doublon da holon suna ratsa juna kuma suna ci gaba.
• Da ƙin juna mai ƙarfi (U = 7), suna billa baya. Don musanya wurare, za su buƙaci su wuce ta wani tsari na tsakiya da ke cin makamashi U, don haka suna yin hali kamar ƙwallaye masu tauri.
• A duka lokutan biyu suna barin wurin da saurin da suka zo da shi: karon elastic ne.

Sun auna yiwuwar ratsawa ga ƙin juna daga 1 zuwa 8. Tana bin ka’idar daidai ba tare da wani parameter da aka daidaita ba — karo na farko ga quasiparticles na wannan ƙira a kan na’urar quantum, a cewar marubutan.

Rabi ya ratsa, rabi ya dawo

A matsakaicin ƙin juna (U = 3.5), wani abu da ba a saba gani ba yana faruwa: cajin kusan ya ɓace bayan karon. Auna doublons da holons daban-daban ya nuna dalili. Babu ɗayansu da ya ɓace — adadin doublons bai ragu ba — amma kowanne ya bazu zuwa ɓangarori biyu na sarƙar. Yanayin da ke fitowa yana kama da cakuɗin “ya ratsa” da “ya billa baya” a gwargwado makamanta.

Irin wannan superposition yana haɗa (entangle) rabin hagu da rabin dama na sarƙar. Ƙungiyar ta gano shi ba tare da cikakken sake gina yanayin quantum ba, ta hanyar auna yadda adadin ƙwayoyi a rabin hagu ke canzawa daga wani gudu zuwa na gaba. Canjin ya fi girma a matsakaicin yanayi.

A matsayin kwatanci, sun maye gurbin holon da doublon na biyu. Doublons biyu iri ɗaya ba za su iya musanya wurare ba, kuma lalle karonsu ya yi kusan iri ɗaya a kowane ƙin juna, kusan babu canji.

Abin da ya rage a nuna

Marubutan suna da hankali: ma’aunansu sun nuna cewa sakamako biyun suna nan, kuma a wane gwargwado, amma ba su tabbatar kai tsaye ba cewa su biyun suna cikin superposition mai coherence. Wannan fassarar ta dogara ne kan dokokin juyin quantum da kuma daidaito da ka’ida. Wani gwajin interference zai iya tabbatar da hakan da zarar kwaikwayo masu tsawo sun yiwu — bayan tagar lokacin da aka yi nazari a nan, ko kwaikwayon kwamfutoci na yau da kullum suna fama wajen ci gaba.