Efectul Aharonov–Bohm observat într-un nou cadru experimental
Fizicienii din cadrul Departamentului de Fizică al Universității Oxford au folosit un computer cuantic hibrid, alcătuit din qubiți și oscilatori cuantici, pentru a observa efectul Aharonov–Bohm într-o simulare cuantică. Efectul este un fenomen cuantic în care o particulă poate dobândi o fază măsurabilă în timp ce călătorește în jurul unui flux magnetic, chiar dacă nu trece niciodată printr-o regiune în care există un câmp magnetic.
Rezultatul demonstrează modul în care sistemele cuantice hibride pot fi utilizate pentru a simula interacțiuni între materie și câmpuri de gauge, care devin tot mai greu de modelat pe computerele clasice. Lucrarea a fost publicată în Nature Physics.
O fază fără traversarea câmpului
În fizica clasică de zi cu zi, mișcarea unei particule încărcate este determinată local de câmpurile electrice și magnetice pe care le întâlnește. Mecanica cuantică permite un efect mai subtil. În 1959, fizicienii Yakir Aharonov și David Bohm au prezis că o particulă încărcată care călătorește în jurul, și nu prin, unei regiuni care conține un câmp magnetic va prelua totuși o urmă măsurabilă a prezenței acelui câmp. Acesta a devenit cunoscut sub numele de efectul Aharonov–Bohm și a fost confirmat ulterior în experimente cu electroni reali.
Fizicienii sunt acum interesați să vadă efectul apărând într-un cadru diferit: teoriile de gauge pe rețea. Acestea sunt cadre matematice folosite pentru a descrie interacțiunile dintre materie și câmpurile de gauge, inclusiv modele importante din fizica particulelor și fizica energiilor înalte. Într-o teorie de gauge pe rețea, materia se află în punctele unei grile, iar câmpurile există pe legăturile care conectează acele puncte. Dificultatea constă în faptul că, pe măsură ce aceste sisteme cresc, comportamentul lor devine tot mai dificil de calculat pe un computer clasic.
Computerele cuantice, care funcționează conform acelorași reguli cuantice pe care le descriu teoriile, oferă o altă abordare: în loc să rezolve întreaga dinamică pe un computer clasic, cercetătorii construiesc un sistem fizic care se comportă în același mod și observă ce face acesta. Aceasta este cunoscută sub numele de simulare cuantică.
Materia și câmpurile împart ionii captivi
Începând din 2022, autorul principal dr. Sebastian Saner, dr. Oana Bazavan și colegii de la Oxford, lucrând cu dr. Alejandro Bermudez de la Instituto de Física Teórica din Madrid, au dezvoltat un experiment pentru a simula teorii de gauge pe rețea folosind un sistem cuantic hibrid. Experimentul lor a utilizat două tipuri de componente, fiecare jucând un rol fizic diferit.
Qubiții — biți cuantici, codificați în stările interne ale ionilor captivi — au reprezentat câmpurile de gauge, în timp ce oscilatorii cuantici — vibrațiile acelorași ioni — au reprezentat materia. Folosind această codificare, echipa a construit o buclă, elementul de construcție elementar al teoriei, din doi oscilatori care reprezintă materia în două puncte, conectați prin doi qubiți care reprezintă câmpurile dintre ei.
Echipa a pregătit apoi cei doi qubiți într-o stare cuantică entanglement, în care proprietățile lor sunt legate într-un mod care nu are echivalent clasic. În limbajul teoriei de gauge pe rețea, aceasta corespunde unui flux magnetic care străbate bucla. Producrea unui astfel de flux în modul convențional, ca fundal fix, ar fi necesitat o interacțiune pe care hardware-ul nu o putea furniza, astfel încât codificarea lui în qubiți a început ca o soluție practică.
„Pentru noi, pasul excitant a fost să codificăm fluxul magnetic într-un câmp de gauge care era el însuși dinamic”, spune Saner. „În loc ca materia să evolueze într-un fundal fix, materia și câmpul de gauge devin parte din aceeași dinamică cuantică.” Ceea ce a început ca o soluție practică s-a dovedit a fi ruta mai interesantă.
Fluxul magnetic oprește tunelarea
Cercetătorii au urmărit apoi o particulă de materie tunelând în jurul buclei. Fără flux prezent, aceasta a tunelat liber. Cu fluxul prezent, cele două căi în jurul buclei au interferat distructiv, suprrimând complet tunelarea și lăsând sistemul înghețat în starea sa inițială.
Rezultatul a fost o demonstrație experimentală a efectului Aharonov–Bohm într-un cadru dinamic în cadrul unei teorii de gauge pe rețea.
Lucrarea apare alături de o lucrare relatedă de la un grup de la University of Maryland condus de profesorul Norbert Linke, care a folosit un sistem cuantic hibrid pentru a simula potențialul Yukawa, o interacțiune relevantă pentru fizica nucleară și a particulelor. Cele două grupuri și-au dezvoltat abordările independent înainte de a-și coordona trimiterile către Nature Physics. Împreună, cele două studii evidențiază potențialul arhitecturilor cuantice hibride pentru simularea interacțiunilor fundamentale care sunt dificil de abordat clasic.
