BİR KUANTUM BİLGİSAYARIN İÇİNDE PARÇACIK ÇARPIŞTIRICI

Çarpışmalar uzun zamandır fiziğin, maddenin iç yapısını yoklamaya yarayan başlıca araçlarından biri. Kuantum simülatörleri artık çarpışmaları, etkileşimlerin gücünün zayıftan çok güçlüye istenildiği gibi ayarlanabildiği kuantum donanımı üzerinde gerçekleştirmeyi mümkün kılıyor.

Elektronların güçlü etkileştiği gerçek malzemelerde, kuaziparçacıklar — parçacık gibi davranan kolektif uyarılmalar — arasındaki çarpışmalar yükün ve enerjinin nasıl hareket ettiğini belirler. Yine de bunlar genellikle yalnızca dolaylı olarak, spektroskopi yoluyla incelenir. Bir kuantum simülatörü ise tek tek kuaziparçacıklar yaratabilir, onları fırlatabilir ve uzayda ve zamanda çarpışmalarını izleyebilir.

İki zıt mermi

Seul’deki Hanyang Üniversitesi, Kore’deki Ajou Üniversitesi ve ABD’deki Ohio State Üniversitesi’nden Chan Bin Bark, Moon Jip Park ve meslektaşları, etkileşen elektronların ders kitabı modeli olan Fermi-Hubbard modelini seçti. Elektronlar bir zincir boyunca konumdan konuma sıçrar ve aynı konumdaki iki elektron birbirini bir U enerjisiyle iter. Her konumda tam olarak bir elektron olduğunda zincir, Mott yalıtkanı denen şeye dönüşür.

Bu zemin üzerinde iki tür uyarılma yük taşıyabilir:

iki elektronlu bir konum olan dublon;
boş bir konum olan holon.

Bunlar bir parçacık ve onun karşıt parçacığı gibi davranır. Özdeş kuaziparçacıklar arasındaki çarpışmalar daha önce incelenmişti; her biri ayrı ayrı hazırlanmış iki farklı kuaziparçacık arasındaki bir çarpışma ise incelenmemişti.

Çarpıştırıcıyı kurmak

Ekip, IBM’in süperiletken kuantum işlemcisi ibm_boston’un 42 kübiti üzerinde 21 konumluk bir zinciri, konum başına iki kübit olacak şekilde kodladı. Bir yana bir dublon, öbür yana bir holon yerleştirdi.

Onları fırlatmak için önce dış kenarlara doğru sıçramayı kısa bir süre kapattılar; böylece her uyarılma yalnızca merkeze doğru hareket edebiliyordu — bir başlangıç kapısı gibi. Ardından tüm sıçramaları geri açtılar ve iki paketin ortaya yakın bir yerde buluşmasına izin verdiler.

Bu tür devreleri bugünün gürültülü donanımında çalıştırmak özen gerektirdi: ön testlerle en iyi kübitleri seçtiler, veri noktası başına 70.000 ölçüm yaptılar ve hataları düzeltmek için toplam parçacık sayısının sabit kalması gerektiği gerçeğinden yararlandılar. Her şeyi modelin Bethe ansatz olarak bilinen kesin kuramsal çözümüyle ve klasik bilgisayar simülasyonlarıyla karşılaştırdılar.

İçinden geçmek, sekmek ya da ikisi birden

Zayıf itmede (U = 1) dublon ve holon birbirinin içinden geçip yollarına devam ediyor.
Güçlü itmede (U = 7) geri sekiyorlar. Yer değiştirmek için U enerjisine mal olan bir ara düzenden geçmeleri gerekirdi; bu yüzden sert toplar gibi davranıyorlar.
Her iki durumda da geldikleri hızla ayrılıyorlar: çarpışma esnek.

İçinden geçme olasılığını 1’den 8’e kadar itme değerleri için ölçtüler. Olasılık kesin kuramı hiçbir ayarlanmış parametre olmadan izliyor — yazarlara göre bu modelin kuaziparçacıkları için kuantum donanımında bir ilk.

Yarısı geçiyor, yarısı geri dönüyor

Ara bir itme değerinde (U = 3,5) alışılmadık bir şey oluyor: çarpışmadan sonra yük neredeyse kayboluyor. Dublonları ve holonları ayrı ayrı ölçmek nedenini gösteriyor. Hiçbiri yok olmadı — dublon sayısı düşmüyor — ama her biri zincirin iki tarafına birden yayıldı. Çıkan durum, karşılaştırılabilir oranlarda “içinden geçti” ve “geri sekti” durumlarının bir karışımına benziyor.

Böyle bir süperpozisyon zincirin sol ve sağ yarılarını dolanık hâle getirir. Ekip bunu kuantum durumunu tamamen yeniden kurmadan, sol yarıdaki parçacık sayısının bir çalıştırmadan ötekine ne kadar dalgalandığını ölçerek saptadı. Dalgalanma ara rejimde en büyük.

Kontrol olarak holonu ikinci bir dublonla değiştirdiler. İki özdeş dublon yer değiştiremez ve gerçekten de çarpışmaları her itme değerinde neredeyse aynı göründü, neredeyse hiç dalgalanma olmadan.

Gösterilmesi gerekenler

Yazarlar temkinli: ölçümleri iki sonucun da var olduğunu ve hangi oranlarda bulunduğunu gösteriyor, ama ikisinin eşevreli (koherent) biçimde süperpoze olduğunu doğrudan kanıtlamıyor. Bu yorum kuantum evriminin yasalarına ve kuramla olan uyuma dayanıyor. Daha uzun simülasyonlar mümkün hâle geldiğinde bir girişim deneyi bunu doğrulayabilir — burada incelenen zaman aralığının ötesinde klasik simülasyonlar bile yetişmekte zorlanıyor.