Araştırmacılar bir kuantum işlemci kullanarak alışılmadık derecede yapışkan mikrodalga fotonları yarattılar. Bu fotonları bağlı hallerde bir araya gelmeye zorladılar ve tipik, yalnız hallerine dağılmaları beklendiğinde, bu foton kümelerinin devam ettiğini keşfettiler. Bu keşfin ilk olarak bir kuantum işlemcisinde yapılmış olması, kuantum dinamiği çalışmalarında bu sistemlerin artan önemini vurgulamaktadır.
Kuantum paketleri olan fotonlar olarak bilinen elektromanyetik radyasyon nadiren birbirleriyle etkileşime girer. Örneğin, iki çapraz el feneri ışını birbirinin içinden zarar görmeden geçer. Öte yandan, mikrodalga fotonları bir dizi süper iletken kübit içinde etkileşime sokulabilir.
Google Quantum AI araştırmacıları, bugün Nature dergisinde yayınlanan “Etkileşen fotonların esnek bağlı durumlarının oluşumu” başlıklı makalelerinde bu nadir durumu nasıl yarattıklarını açıklıyorlar. Araştırmacılar 24 mikrodalga foton kapasiteli süper iletken kübitten oluşan bir halkayı incelediler. Fotonlar yakındaki bölgeler arasında atlayarak ve yakındaki kübit çiftlerine kuantum kapıları uygulayarak yakındaki fotonlarla etkileşime girerek hareket edebiliyordu.
Fotonlar arasındaki etkileşimler sözde “fazlarını” değiştirdi. Fotonun dalga fonksiyonunun salınımı faz tarafından izlenir. Fotonların etkileşim içinde olmadıkları zamanki faz birikimi özellikle büyüleyici değildir. İyi prova edilmiş bir koro gibi hepsi birbiriyle aynı zamandadır. Başlangıçta başka bir fotonun yanında olan bir foton, bu senaryoda zamanlamasını kaybetmeden komşusundan uzaklaşabilir.
Koronun her üyesi şarkıya katkıda bulunur ve fotonun genel dalga fonksiyonu tüm olası yollarından etkilenir. Daha önce yakın konumlarda bir araya getirilmiş bir foton koleksiyonu, her bir fotonun gitmiş olabileceği tüm potansiyel rotaların bir süperpozisyonuna dönüşecektir.
Fotonlar komşularıyla etkileşime girdiğinde durum böyle değildir. Bir fotonun faz biriktirme oranı, komşusundan uzaklaştığında değişir ve komşularıyla faz kaybetmesine neden olur. Yıkıcı girişim, tüm fotonların ayrılma yollarının birbirini kesmesi gerçeğinden kaynaklanır. Her koro üyesi kendi hızında şarkı söylüyormuş gibi ses çıkarır, şarkıyı siler ve diğer herkesin kakofonisinin üzerinde duymayı imkansız hale getirir.
Akla gelebilecek tüm konfigürasyon rotaları arasında var olabilecek tek senaryo, tüm fotonların bağlı bir durumda bir arada gruplanmaya devam ettiği senaryodur. Temas, fotonların birbirine bağlanmadığı diğer tüm senaryoları bastırdığı için, bağlı bir durumun yaratılmasını teşvik edebilir.
Araştırmacılar, bağlı durumların enerji ve momentum gibi iyi tanımlanmış niceliklerle parçacıkların yaptığı gibi hareket ettiğini kesin olarak göstermek amacıyla parçacıkların enerjisinin momentumla nasıl değiştiğini ölçmek için yeni araçlar geliştirdiler. Fotonlar arasındaki korelasyonların zaman ve yer ile nasıl değiştiğini inceleyerek “enerji-momentum dağılım ilişkisi” olarak adlandırılan ilişkiyi yeniden oluşturabildiler ve bağlı durumların parçacık benzeri karakterini kanıtladılar.
Bağlı durumların kendileri yeni değildi; 10 yıl önce, dinamiklerin çok daha az karmaşık olduğu “entegre edilebilir rejim” olarak bilinen bir rejimde zaten tahmin edilmiş ve gözlemlenmişlerdi.
Bütünleşebilirliğin ötesinde ise kaos hüküm sürüyor. Bu deneyden önce bağlı durumların kaos karşısında parçalanması bekleniyordu. Araştırmacılar bunu test etmek için basit halka geometrisini daha karmaşık, dişli şeklinde birbirine bağlı kübitlerden oluşan bir ağa dönüştürerek bütünleşebilirliğin ötesine geçtiler. Bağlı durumların kaotik rejimin derinliklerine kadar devam etmesi onları şok etti.
Google Kuantum Yapay Zeka ekibi bu bağlı durumların beklenmedik kalıcılığının kaynağını bilmese de, bu durum “pretermalizasyon” olarak bilinen ve bir sistemin uyumsuz enerji ölçeklerinin termal dengeye aksi halde ulaşacağı kadar hızlı bir şekilde ulaşmasını geciktirebileceği bir fenomenle ilgili olabilir.
Bu sistemi incelemenin amacı, çok cisimli kuantum dinamikleri hakkında yeni bilgiler edinmek ve daha fazla temel fiziğin keşfi için kuantum bilgisayarların geliştirilmesini teşvik etmektir.
Kaynak: phys.org/news/2022-12-quantum-processor-reveals-bound-states
