Bilim insanları parçacıkların adeta “var oluyormuş gibi” belirdiği bir süreci kuantum bilgisayarıyla simüle ederek erken evren fiziğine yeni bir pencere açtı.
Bilim insanları erken evrenin aşırı fiziğiyle bağlantılı parçacık oluşum sürecini 13 iyonlu bir kuantum simülatörüyle yeniden oluşturdu. Bu atılım, kuantum bilgisayarların Büyük Patlama’dan sonra maddenin nasıl oluştuğunu ve evrildiğini araştırmaya yardımcı olabileceğini gösteriyor.
Duke Quantum Center öncülüğündeki araştırmacılar, parçacık-antiparçacık oluşumuyla bağlantılı ip kırılması dinamiğini bir kuantum simülatörüyle gözlemledi. Bu çalışma kuantum fiziğinde türünün en erken gösterimlerinden biri olarak öne çıkıyor.
23 Eylül’de Nature Physics’te yayımlanan çalışma, hapsedilmiş iyon kuantum bilgisayarlarının temel fizikteki en derin soruları araştırmak için güçlü araçlar haline gelebileceğini gösteriyor. Deney, iki bağlı madde yapı taşı birbirinden çekilince biriken enerji yeni parçacıkların adeta “var olabildiği” bir noktaya ulaşana kadar devam eden ve bağlantı koptuğunda yeni parçacıkların oluştuğu ip kırılması olarak bilinen süreci simüle etti.
“Kuantum bilgisayar simülasyonları, Büyük Patlamayı bizzat yaşamamış olmak dışında madde oluşumu gibi karmaşık soruları araştırmak için en iyi platformu sunuyor” diyen Duke’te Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği ile Fizik alanında Gilhuly Ailesi Başkanlık Seçkin Profesörü ve araştırmayı yöneten Christopher Monroe, “Bu bulgular kuantum bilim alanında belirgin bir gelişmeyi işaret ediyor ve ip kırılması dinamiğini anlamak için bize yeni yollar açıyor” ifadelerini kullandı.
Çalışma, University of Maryland, Oxford University, California Institute of Technology, Cornell University ve KU Leuven’den araştırmacıların katılımıyla uluslararası bir iş birliğiyle yürütüldü. Bulgular, farklı kuantum bilişim donanımları kullanan benzer fiziği yeniden üreten başka iki ekibin yakın zamanda yayımladığı çalışmalarla birlikte yer alıyor.
Neden kuarklar basitçe ayrılamaz
Kuarklar maddenin en temel bilinen yapı taşlarından biridir. Proton ve nötron gibi parçacıkların içinde bulunur ve yaklaşık olarak bir atomdan milyar kez daha küçüktür. Bilim insanları şu an izole kuarkları doğrudan gözlemleyemez çünkü kuarklar normalde sıkı şekilde birbirine bağlı kalır.
Bunu iki küçük yüklü parçacığın sıkı gerilmiş bir ip ile bağlı olduğu şekilde hayal etmek mümkün. İkisi birbirinden ne kadar uzak çekilirse bağlantıdaki enerji o kadar artar.
Bir noktada biriken enerji ek yüklü parçacıkların oluşmasına yetecek düzeye ulaşabilir. Bu mümkün çünkü kütle ve enerji Einstein’ın ünlü E=mc² denklemiyle ilişkilidir. Sonuç tek bir ayrılmış çift değil, orijinal bağlantının kırılması ve yeni parçacık çiftlerinin oluşmasıdır.
Böyle süreçler muazzam enerji gerektirir ve normalde Büyük Hadron Çarpıştırıcısı içinde yaratılan koşullar gibi aşırı ortamlarda ya da Büyük Patlama’dan kısa süre sonra var olduğuna inanılan koşullarda görülür.
Kuantum makinede ip kırılmasının yeniden oluşturulması
Yeni deneyde Duke liderliğindeki ekip benzer ip kırılması davranışını hapsedilmiş iyon kuantum platformuyla yeniden üretti. Kuantum simülatörleri bu tür çalışmalar için özellikle kullanışlıdır çünkü araştırmacılar onları hassas şekilde kontrol edebilir ve atomik ve alt atomik ölçeklerde gerçekleşen fiziksel süreçleri taklit edecek şekilde programlayabilir.
“Kuantum simülasyonu ve yüksek enerji fiziğinin kesişiminde çalışmak inanılmaz derecede heyecan verici” diyen makalenin birinci yazarı, Monroe’nun laboratuvarında eski doktora öğrencisi ve şimdi QuEra Computing’te üretim makine sorumlusu olan Arinjoy De, “Kuantum simülatöründe kontrollü bir laboratuvar ortamında kuark hapsini ve ip kırılması olgusunu simüle ederek maddenin en temel düzeydeki davranışını araştırmak için yeni yollar açıyoruz” dedi.
Simülasyonu oluşturmak için araştırmacılar ip kırılması modelini 13 hapsedilmiş iyonluk bir zincire kodladı. Daha sonra iyonların birbirleriyle nasıl etkileşeceğini ayarlamak için özenle kontrol edilen lazer ışınları kullandı.
Bu etkileşimler ekibin sistemin enerjisini parçacık benzeri bir ipin gerilip sonunda kırılmasını yeniden üretecek şekilde kontrol etmesini sağladı.
Kuantum sistemin evriminin izlenmesi
Araştırmacılar sistemi denge dışı bir durumda hazırladı ve zaman içinde nasıl değiştiğini takip etti. Bu sayede etkili yüklerin ortaya çıkışını tespit edip simüle edilen ip kırılması sürecine ait dinamiği yeniden kurgulayabildiler.
Sonuçları kontrol etmek için ekip aynı süreci klasik bir bilgisayar kullanarak da modelledi. Klasik hesaplamalar kuantum simülatörü tarafından üretilen deneysel sonuçlarla uyuştu.
Bu nispeten küçük ölçekli simülasyonlar için klasik bilgisayarlar hâlâ hesaplamaları gerçekleştirebiliyor. Araştırmacılar gelecekteki deneyler daha büyük ve karmaşık hale geldikçe kuantum bilgisayarların klasik makinelerin başa çıkamayacağı bu problemlerin versiyonlarını çözebileceğini bekliyor.
Diğer araştırma grupları yakın zamanda farklı kuantum donanım biçimleriyle benzer kilometre taşlarına ulaştı. Google liderliğindeki ekipler ve QuEra Computing süperiletken devreler ve nötr atomlar kullanarak sırasıyla ilgili ip kırılması modellerini yeniden oluşturdu. Her yaklaşımın kendine özgü güçlü ve sınırlı yönleri var.
“Bunlar kuantum bilişimde öncülük eden üç platform ve bu kuantum topluluğu için güzel bir referans ve karşılaştırma noktası” diye ekledi Monroe.
Süperbilgisayarların ötesine simülasyonlar
Hapsedilmiş iyon sonuçları, dünyanın en güçlü geleneksel süperbilgisayarlarının bile başa çıkamayacağı kadar karmaşık kuantum simülasyonlarına doğru bir diğer adım.
Kuantum sistemleri ölçeklenmeye devam ederse araştırmacılar bunları Büyük Patlama’dan kısa süre sonra maddenin nasıl davrandığını ve evrildiğini de içeren laboratuvarda doğrudan yeniden üretmek zor veya imkânsız olan soruları araştırmak için kullanabilir.
“Bir fizikçi olarak atomik düzeyli bir bilişim makinesinde erken evren koşullarını araştırmak inanılmaz derecede heyecan verici” diyen araştırma ekibinde yer alan UMD’de fizik doçenti Zohreh Davoudi, “Denge dışı bir fizik modelinden gelen en küçük içgörüler bile gelecekte bize yol gösterecek” dedi.
Araştırma Department of Energy, National Science Foundation, Air Force Office of Scientific Research, Defense Advanced Research Projects Agency ve Amazon Web Services tarafından desteklendi.
