క్వాంటం కంప్యూటర్ లోపల ఒక కణ ఢీకొట్టే యంత్రం

పదార్థం యొక్క అంతర్గత నిర్మాణాన్ని పరిశోధించడానికి ఢీకొనడాలు చాలా కాలంగా భౌతిక శాస్త్రపు ప్రధాన సాధనాల్లో ఒకటి. క్వాంటం సిమ్యులేటర్లు ఇప్పుడు క్వాంటం హార్డ్‌వేర్‌పై ఢీకొనడాలను నడపడం సాధ్యం చేస్తున్నాయి, అక్కడ పరస్పర చర్యల బలాన్ని బలహీనం నుంచి అత్యంత బలం వరకు ఇష్టానుసారంగా సర్దుబాటు చేయవచ్చు.

ఎలక్ట్రాన్లు బలంగా పరస్పర చర్య జరిపే నిజమైన పదార్థాల్లో, క్వాసీపార్టికల్స్ (quasiparticles) — కణాల్లా ప్రవర్తించే సామూహిక ఉత్తేజాలు — మధ్య ఢీకొనడాలు ఆవేశం, శక్తి ఎలా కదులుతాయో నిర్ణయిస్తాయి. అయినా వాటిని సాధారణంగా వర్ణపటమితి ద్వారా పరోక్షంగా మాత్రమే అధ్యయనం చేస్తారు. ఒక క్వాంటం సిమ్యులేటర్ వ్యక్తిగత క్వాసీపార్టికల్స్‌ను సృష్టించి, ప్రయోగించి, అవి అంతరిక్షంలో, కాలంలో ఢీకొనడాన్ని గమనించగలదు.

రెండు వ్యతిరేక ప్రక్షేపకాలు

సియోల్‌లోని హన్యాంగ్ విశ్వవిద్యాలయం, కొరియాలోని అజూ విశ్వవిద్యాలయం, అమెరికాలోని ఒహాయో స్టేట్ విశ్వవిద్యాలయానికి చెందిన చాన్ బిన్ బార్క్ (Chan Bin Bark), మూన్ జిప్ పార్క్ (Moon Jip Park), సహచరులు పరస్పర చర్య జరిపే ఎలక్ట్రాన్ల ఒక పాఠ్యపుస్తక నమూనాను ఎంచుకున్నారు, ఫెర్మి-హబార్డ్ నమూనా. ఎలక్ట్రాన్లు ఒక గొలుసు వెంట స్థానం నుంచి స్థానానికి దూకుతాయి, ఒకే స్థానంలో ఉన్న రెండు ఎలక్ట్రాన్లు U శక్తితో ఒకదాన్నొకటి వికర్షిస్తాయి. ప్రతి స్థానంలో సరిగ్గా ఒక ఎలక్ట్రాన్ ఉంటే, గొలుసు మాట్ అవాహకం (Mott insulator) అని పిలవబడేదిగా మారుతుంది.

ఆ నేపథ్యంపై, రెండు రకాల ఉత్తేజాలు ఆవేశాన్ని మోసుకెళ్లగలవు:

• డబ్లాన్ (doublon), రెండు ఎలక్ట్రాన్లు ఉన్న స్థానం;
• హోలాన్ (holon), ఖాళీ స్థానం.

అవి ఒక కణం, దాని ప్రతికణంలా ప్రవర్తిస్తాయి. ఒకేలాంటి క్వాసీపార్టికల్స్ మధ్య ఢీకొనడాలు ఇంతకుముందు అధ్యయనం చేయబడ్డాయి; ఒక్కోటీ విడిగా సిద్ధం చేసిన రెండు వేర్వేరు క్వాసీపార్టికల్స్ మధ్య ఢీకొనడం అధ్యయనం కాలేదు.

ఢీకొట్టే యంత్రాన్ని నిర్మించడం

బృందం IBM అతివాహక క్వాంటం ప్రాసెసర్ ibm_boston‌లోని 42 క్యూబిట్లపై 21 స్థానాల గొలుసును సంకేతీకరించింది, ఒక్కో స్థానానికి రెండు క్యూబిట్లు. వారు ఒక వైపు డబ్లాన్‌ను, మరో వైపు హోలాన్‌ను ఉంచారు.

వాటిని ప్రయోగించడానికి, మొదట బయటి అంచుల వైపు దూకడాన్ని కొద్దిసేపు ఆపివేశారు, తద్వారా ప్రతి ఉత్తేజం కేంద్రం వైపు మాత్రమే కదలగలిగింది — ఒక ప్రారంభ ద్వారంలా. తర్వాత అన్ని దూకుడులను పునరుద్ధరించి, రెండు తరంగ పొట్లాలను మధ్యలో కలవనిచ్చారు.

నేటి శబ్దభరిత హార్డ్‌వేర్‌పై అలాంటి సర్క్యూట్లను నడపడానికి జాగ్రత్త అవసరమైంది: ప్రాథమిక పరీక్షలతో ఉత్తమ క్యూబిట్లను ఎంచుకున్నారు, ప్రతి డేటా బిందువుకు 70,000 కొలతలు చేశారు, మొత్తం కణాల సంఖ్య స్థిరంగా ఉండాలనే వాస్తవాన్ని దోషాలను సరిచేయడానికి ఉపయోగించారు. అన్నింటినీ బేథే అన్సాట్జ్ (Bethe ansatz) అని పిలువబడే నమూనా యొక్క ఖచ్చితమైన సైద్ధాంతిక పరిష్కారంతో, సంప్రదాయ కంప్యూటర్ అనుకరణలతో పోల్చారు.

దూసుకెళ్లడం, ఎగిరిపడడం, లేదా రెండూ

• బలహీనమైన వికర్షణతో (U = 1), డబ్లాన్, హోలాన్ ఒకదాని గుండా ఒకటి దూసుకెళ్లి ముందుకు సాగుతాయి.
• బలమైన వికర్షణతో (U = 7), అవి వెనక్కి ఎగిరిపడతాయి. స్థానాలు మార్చుకోవాలంటే, U శక్తి ఖర్చయ్యే ఒక మధ్యంతర అమరిక గుండా వెళ్లాల్సి ఉంటుంది, కాబట్టి అవి గట్టి బంతుల్లా ప్రవర్తిస్తాయి.
• రెండు సందర్భాల్లోనూ అవి వచ్చినంత వేగంగానే వెళ్లిపోతాయి: ఢీకొనడం స్థితిస్థాపకమైనది.

వారు 1 నుంచి 8 వరకు వికర్షణల కోసం దూసుకెళ్లే సంభావ్యత‌ను కొలిచారు. అది ఏ పరామితినీ సర్దుబాటు చేయకుండానే ఖచ్చితమైన సిద్ధాంతాన్ని అనుసరిస్తుంది — రచయితల ప్రకారం, క్వాంటం హార్డ్‌వేర్‌పై ఈ నమూనా యొక్క క్వాసీపార్టికల్స్‌కు ఇది మొదటిసారి.

సగం దూసుకెళ్లి, సగం వెనక్కి

మధ్యంతర వికర్షణ వద్ద (U = 3.5), అసాధారణమైనది జరుగుతుంది: ఢీకొన్న తర్వాత ఆవేశం దాదాపు అదృశ్యమవుతుంది. డబ్లాన్లను, హోలాన్లను విడిగా కొలిస్తే ఎందుకో తెలుస్తుంది. ఏదీ అదృశ్యం కాలేదు — డబ్లాన్ల సంఖ్య తగ్గదు — కానీ ఒక్కోటీ గొలుసుకు రెండు వైపులా వ్యాపించింది. బయటకు వెళ్లే స్థితి “దూసుకెళ్లింది”, “వెనక్కి ఎగిరిపడింది” అనే వాటి పోల్చదగిన నిష్పత్తుల మిశ్రమంలా కనిపిస్తుంది.

అలాంటి అధ్యారోపణ (superposition) గొలుసు యొక్క ఎడమ, కుడి సగాలను చిక్కుముడి (entangle) వేస్తుంది. బృందం క్వాంటం స్థితిని పూర్తిగా పునర్నిర్మించకుండానే దీన్ని గుర్తించింది, ఎడమ సగంలోని కణాల సంఖ్య ఒక పరుగు నుంచి మరో పరుగుకు ఎంత హెచ్చుతగ్గులకు లోనవుతుందో కొలవడం ద్వారా. హెచ్చుతగ్గులు మధ్యంతర పాలనలో అత్యధికంగా ఉంటాయి.

నియంత్రణగా, వారు హోలాన్ స్థానంలో రెండవ డబ్లాన్‌ను ఉంచారు. రెండు ఒకేలాంటి డబ్లాన్లు స్థానాలు మార్చుకోలేవు, నిజంగానే వాటి ఢీకొనడం ప్రతి వికర్షణ వద్దా దాదాపు ఒకేలా కనిపించింది, దాదాపు హెచ్చుతగ్గులు లేకుండా.

ఇంకా చూపించాల్సింది

రచయితలు జాగ్రత్తగా ఉన్నారు: రెండు ఫలితాలూ ఉన్నాయని, ఏ నిష్పత్తుల్లో ఉన్నాయో వారి కొలతలు చూపిస్తాయి, కానీ రెండూ సుసంబద్ధంగా అధ్యారోపించబడ్డాయని అవి నేరుగా నిరూపించవు. ఆ వివరణ క్వాంటం పరిణామ నియమాలపై, సిద్ధాంతంతో ఉన్న ఏకీభావంపై ఆధారపడి ఉంది. ఎక్కువ సేపు అనుకరణలు సాధ్యమైన తర్వాత ఒక వ్యతికరణ ప్రయోగం (interference experiment) దీన్ని ధృవీకరించగలదు — ఇక్కడ అధ్యయనం చేసిన కాల వ్యవధిని దాటితే, సంప్రదాయ అనుకరణలు కూడా వేగాన్ని అందుకోవడానికి కష్టపడతాయి.