קפיצה קוונטית: הפרעות אטומים ופריצת דרך בדגימת בוזונים

חוקרים הדגימו שיטה חדשה של דגימת בוזונים באמצעות אטומים קרים במיוחד, המציינת התקדמות משמעותית ביחס לטכניקות קודמות. באמצעות פינצטה אופטית וקירור מתקדם, השיטה מאפשרת שליטה מדויקת על אטומים בסריג, המסייעת בחישובים קוונטיים מורכבים שאינם מעשיים למחשבים קלאסיים.

כאשר שני אובייקטים "לא ניתן להבחין" בחיי היומיום, זה נובע ממצב ידע לא מושלם. כשקוסם רחוב מערבל את הכוסות והכדורים, אתה יכול, באופן עקרוני, לעקוב אחרי איזה כדור הוא איזה כשהם מועברים בין הכוסות. עם זאת, בקנה מידה קטן ביותר בטבע, אפילו הקוסם לא יכול להבחין בין כדור אחד למשנהו. חוסר הבחנה אמיתי מסוג זה יכול לשנות מהותית את אופן התנהלות הכדורים.

לדוגמה, בניסוי קלאסי של הונג, או ומנדל, שני פוטונים (כדורים) זהים הפוגעים בצדדים מנוגדים של מראה חצי רפלקטיבית נמצאים תמיד יוצאים מאותו צד של המראה (באותה כוס). זה נובע מסוג מיוחד של הפרעות, לא מכל אינטראקציה בין הפוטונים. עבור יותר פוטונים, ועוד מראות, ההפרעה הזו הופכת מסובכת מאוד.

התקדמות בדגימת בוזונים

מדידת תבנית הפוטונים שיוצאת ממבוך נתון של מראות ידועה בשם "דגימת בוזון". מאמינים כי דגימת בוזונים אינה אפשרית לדמות במחשב קלאסי עבור יותר מכמה עשרות פוטונים. כתוצאה מכך, היה מאמץ משמעותי לבצע ניסויים כאלה בפוטונים ולהדגים שמכשיר קוונטי מבצע משימה חישובית (לא אוניברסלית) שלא ניתן לבצע באופן קלאסי. מאמץ זה הגיע לשיאו בטענות האחרונות על יתרון קוונטי באמצעות פוטונים.

עכשיו, בכתבה שפורסם לאחרונה טֶבַע נייר, עמית JILA, פיזיקאי מהמכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) ופרופסור לפיזיקה באוניברסיטת קולורדו, אדם קאופמן וצוותו, יחד עם משתפי פעולה ב-NIST, הדגימו שיטה חדשה של דגימת בוזונים באמצעות אטומים קרים במיוחד (במיוחד, אטומים בוזוניים ) בסריג אופטי דו מימדי של קרני לייזר מצטלבות.

באמצעות כלים כגון פינצטה אופטית, ניתן להכין דפוסים ספציפיים של אטומים זהים. ניתן להפיץ את האטומים דרך הסריג עם אובדן מינימלי, ולגלות את מיקומם כמעט מושלם דיוק לאחר מסעם. התוצאה היא יישום של דגימת בוזונים שמהווה קפיצת מדרגה משמעותית מעבר למה שהושג קודם לכן, בין אם בהדמיות ממוחשבות ובין אם בפוטונים.

"פינצטה אופטית אפשרה ניסויים פורצי דרך בפיזיקה של גופים רבים, לעתים קרובות למחקרים של אטומים רבים בעלי אינטראקציה, כאשר האטומים מוצמדים בחלל ומקיימים אינטראקציה למרחקים ארוכים", אמר קאופמן. "עם זאת, מחלקה גדולה של בעיות בסיסיות בגוף רבים – מה שמכונה מערכות 'האברד' – נוצרות כאשר חלקיקים יכולים גם לקיים אינטראקציה וגם לנהור, תוך התפשטות קוונטית מכנית בחלל. בשלב מוקדם בבניית הניסוי הזה, הייתה לנו המטרה ליישם את פרדיגמת הפינצטה הזו על מערכות האברד בקנה מידה גדול – פרסום זה מסמן את המימוש הראשון של החזון הזה".

טכניקות לשליטה טובה יותר

כדי להשיג תוצאות אלה, החוקרים השתמשו במספר טכניקות חדשניות, כולל פינצטה אופטית – לייזרים ממוקדים ביותר שיכולים להזיז אטומים בודדים בדיוק רב – ושיטות קירור מתקדמות שמקרבות את האטומים. אפס מוחלט טמפרטורה, מזעור תנועתם ומאפשר שליטה ומדידה מדויקת.

בדומה לאופן שבו זכוכית מגדלת יוצרת דקירת אור כשהיא ממוקדת, פינצטה אופטית יכולה להחזיק אטומים בודדים באלומות אור חזקות, ומאפשרת להזיז אותם בדיוק מוגבר. באמצעות פינצטה אלה, החוקרים הכינו דפוסים ספציפיים של עד 180 אטומי סטרונציום בסריג של 1,000 אתרים, שנוצרו על ידי קרני לייזר מצטלבות היוצרות תבנית דמוית רשת של בארות אנרגיה פוטנציאליות כדי ללכוד את האטומים. החוקרים השתמשו גם בטכניקות קירור לייזר מתוחכמות כדי להכין את האטומים, והבטיחו שהם יישארו במצב האנרגיה הנמוך ביותר שלהם, ובכך הפחיתו את הרעש והדה-קוהרנטיות – אתגרים נפוצים בניסויים קוונטיים.

הפיזיקאי של NIST שון גלר הסביר שהקירור וההכנה הבטיחו שהאטומים יהיו זהים ככל האפשר, תוך הסרת כל תוויות, כגון מצבים פנימיים אינדיבידואליים או מצבי תנועה, שיכולים ליצור נתון. אָטוֹם שונה מהאחרים. "הוספת תווית נוספת פירושה שהיקום יכול לדעת איזה אטום הוא איזה, גם אם אינך יכול לראות את התווית בתור נסיין", אמר הסופר הראשון ותלמיד בוגר JILA לשעבר אהרון יאנג. "הנוכחות של תווית כזו תשנה את זה מבעיית דגימה קשה בצורה אבסורדית לבעיית טריוויאלית לחלוטין."

אתגרים וחידושים בקנה מידה קוונטי

מאותה סיבה שקשה לדמות דגימת בוזונים, אימות ישיר שמשימת הדגימה הנכונה בוצעה אינו אפשרי עבור הניסויים עם 180 אטומים. כדי להתגבר על בעיה זו, החוקרים דגמו את האטומים שלהם בהיקפים שונים.

לדברי יאנג, "אנחנו עושים בדיקות עם שני אטומים, שבהם אנחנו מבינים היטב מה קורה. לאחר מכן, בקנה מידה בינוני שבו אנו עדיין יכולים לדמות דברים, נוכל להשוות את המדידות שלנו לסימולציות הכוללות מודלים שגיאה סבירים עבור הניסוי שלנו. בקנה מידה גדול, אנו יכולים לשנות ללא הרף את מידת הקושי של משימת הדגימה על ידי שליטה במידת ההבחנה בין האטומים ולאשר ששום דבר דרמטי לא משתבש".

גלר הוסיף: "מה שעשינו זה לפתח מבחנים המשתמשים בפיזיקה שאנחנו יודעים כדי להסביר מה אנחנו חושבים שקורה".

באמצעות תהליך זה, החוקרים הצליחו לאשר את הנאמנות הגבוהה של הכנת האטום והאבולוציה בהשוואה להדגמות קודמות של דגימת בוזונים. בפרט, האובדן הנמוך מאוד של אטומים בהשוואה לפוטונים במהלך האבולוציה שלהם מונע טכניקות חישוב מודרניות המאתגרות הדגמות יתרונות קוונטיים קודמות.

ניתן ליישם את ההכנה, האבולוציה והזיהוי האיכותיים והניתנים לתכנות של אטומים בסריג שהודגם בעבודה זו במצב שבו האטומים מקיימים אינטראקציה. זה פותח גישות חדשות המדמות ולחקור את התנהגותם של חומרים קוונטיים אמיתיים, ובדרך אחרת לא מובנים בצורה גרועה.

"השימוש בחלקיקים שאינם מקיימים אינטראקציה אפשר לנו לקחת את הבעיה הספציפית הזו של דגימת בוזונים למשטר חדש", אמר קאופמן. "עם זאת, רבות מהבעיות המעניינות ביותר מבחינה פיזית ומאתגרת מבחינה חישובית מתעוררות עם מערכות של חלקיקים רבים המקיימים אינטראקציה. בהמשך, אנו מצפים שיישום הכלים החדשים הללו על מערכות כאלה יפתח את הדלת להרבה ניסויים מרגשים".