MGONGANISHAJI WA CHEMBE NDANI YA KOMPYUTA YA KWANTA

Kwa muda mrefu, migongano imekuwa mojawapo ya zana kuu za fizikia za kuchunguza muundo wa ndani wa mada. Viigaji vya kwanta sasa vinawezesha kuendesha migongano kwenye maunzi ya kwanta, ambapo nguvu ya mwingiliano inaweza kurekebishwa upendavyo, kutoka dhaifu hadi yenye nguvu sana.

Katika mada halisi ambamo elektroni huingiliana kwa nguvu, migongano kati ya kwasichembe (quasiparticles) — misisimko ya pamoja inayotenda kama chembe — huamua jinsi chaji na nishati vinavyosonga. Hata hivyo kwa kawaida huchunguzwa kwa njia isiyo ya moja kwa moja tu, kupitia spektroskopia. Kiigaji cha kwanta kinaweza kuunda kwasichembe moja moja, kuzirusha, na kuziangalia zikigongana katika anga na wakati.

Makombora mawili yanayopingana

Chan Bin Bark, Moon Jip Park na wenzao katika Chuo Kikuu cha Hanyang huko Seoul, Chuo Kikuu cha Ajou nchini Korea na Chuo Kikuu cha Jimbo la Ohio nchini Marekani, walichagua modeli ya kitabu cha kiada ya elektroni zinazoingiliana, modeli ya Fermi-Hubbard. Elektroni huruka kutoka nafasi moja hadi nyingine kando ya mnyororo, na elektroni mbili kwenye nafasi moja husukumana kwa nishati U. Kukiwa na elektroni moja kamili kwa kila nafasi, mnyororo huwa kile kinachoitwa kihami cha Mott (Mott insulator).

Juu ya usuli huo, aina mbili za misisimko zinaweza kubeba chaji:

dabloni (doublon), nafasi yenye elektroni mbili;
holoni (holon), nafasi tupu.

Hutenda kama chembe na kinzachembe yake. Migongano kati ya kwasichembe zinazofanana ilikuwa imechunguzwa hapo awali; mgongano kati ya mbili tofauti, kila moja ikiandaliwa peke yake, ulikuwa haujachunguzwa.

Kujenga mgonganishaji

Timu ilisimba mnyororo wa nafasi 21 kwenye kubiti 42 za prosesa ya kwanta ya IBM inayopitisha umeme bila ukinzani, ibm_boston, kubiti mbili kwa kila nafasi. Waliweka dabloni upande mmoja na holoni upande mwingine.

Ili kuzirusha, kwanza walizima kwa muda mfupi miruko kuelekea kingo za nje, ili kila msisimko uweze kusonga tu kuelekea katikati — kama lango la kuanzia mbio. Kisha walirudisha miruko yote na kuacha mafurushi mawili ya mawimbi yakutane karibu na katikati.

Kuendesha saketi kama hizo kwenye maunzi ya leo yenye kelele kulihitaji uangalifu: walichagua kubiti bora zaidi kwa majaribio ya awali, walifanya vipimo 70,000 kwa kila nukta ya data, na walitumia ukweli kwamba jumla ya idadi ya chembe lazima ibaki thabiti kurekebisha makosa. Walilinganisha kila kitu na suluhisho kamili la kinadharia la modeli hiyo, linalojulikana kama ansatz ya Bethe, na na uigaji wa kompyuta za kawaida.

Kupenya, kudunda, au yote mawili

Kwa msukumano dhaifu (U = 1), dabloni na holoni hupenya moja ndani ya nyingine na kuendelea.
Kwa msukumano wenye nguvu (U = 7), hudunda nyuma. Ili kubadilishana nafasi, zingelazimika kupitia mpangilio wa kati unaogharimu nishati U, kwa hiyo hutenda kama mipira migumu.
Katika hali zote mbili huondoka kwa kasi ile ile zilizokuja nayo: mgongano ni nyumbufu.

Walipima uwezekano wa kupenya kwa misukumano kutoka 1 hadi 8. Unafuata nadharia sahihi bila kigezo chochote kilichorekebishwa — ya kwanza kwa kwasichembe za modeli hii kwenye maunzi ya kwanta, kwa mujibu wa waandishi.

Nusu hupenya, nusu hurudi

Katika msukumano wa kati (U = 3.5), jambo lisilo la kawaida hutokea: chaji karibu hutoweka baada ya mgongano. Kupima dabloni na holoni kando kando kunaonyesha sababu. Hakuna iliyotoweka — idadi ya dabloni haipungui — lakini kila moja ilienea pande zote mbili za mnyororo. Hali inayotoka inaonekana kama mchanganyiko wa “ilipenya” na “ilidunda nyuma” kwa uwiano unaolingana.

Muwekeleo (superposition) kama huo hufungamanisha (entangles) nusu za kushoto na kulia za mnyororo. Timu iligundua hili bila kuunda upya hali kamili ya kwanta, kwa kupima jinsi idadi ya chembe katika nusu ya kushoto inavyobadilika-badilika kutoka mzunguko mmoja hadi unaofuata. Mabadiliko hayo ni makubwa zaidi katika hali ya kati.

Kama udhibiti, walibadilisha holoni na dabloni ya pili. Dabloni mbili zinazofanana haziwezi kubadilishana nafasi, na kweli mgongano wao ulionekana karibu sawa katika kila msukumano, bila mabadiliko karibu yoyote.

Kinachobaki kuonyeshwa

Waandishi wana tahadhari: vipimo vyao vinaonyesha kwamba matokeo yote mawili yapo, na kwa uwiano gani, lakini havithibitishi moja kwa moja kwamba yote mawili yamewekeleana kwa ulinganifu (coherently). Tafsiri hiyo inategemea sheria za mabadiliko ya kwanta na ulinganifu na nadharia. Jaribio la mwingiliano wa mawimbi (interference) lingeweza kulithibitisha mara uigaji wa muda mrefu zaidi utakapowezekana — zaidi ya kipindi cha muda kilichochunguzwa hapa, hata uigaji wa kawaida hutatizika kwenda sambamba.