مراقبة سخونة نظام كمي
يمكن للذرات المحاصرة في شبكة بصرية أحادية البعد، في نظرية مجال كمي أساسية، محاكاة كيف تنجح (أو تفشل) الجسيمات الثقيلة في الوصول إلى حالة الاتزان الحراري.
تمتلك قوى الطبيعة تناظرات يجسدها الفيزيائيون فيما يسمى بنظريات القياس. تتمتع هذه النظريات بأناقة رياضية، ولكن قد ينطوي تطبيقها في الأنظمة التي تتفاعل مكوناتها بقوة على بعض الصعوبة. ويهون إجراء الحسابات على شبكة منفصلة من ثقل هذه الحسابات، ولكن حتى هذه المقاربة يمكن أن تبقى مستعصية. وهناك طريقة بديلة، تتمثل في محاكاة النظام المدروس بنظام آخر أسهل في المعالجة، لكن له نفس الوصف الكمومي للنظام المدروس. وهذا بالضبط ما فعله هان يي وانج ومعاونوه من جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين (USTC) [1]. فباستخدام شبكة بصرية من 19 نقطة، تمكن الفريق من محاكاة سلوك جسيمات ضخمة في نظرية قياس بدائية. حيث تفتح هذه التجارب الطريق نحو تضمين مزيد من الحسابات.
تألفت هذه الشبكة البصرية للفريق من آبار جهد عميقة وضحلة بالتناوب، والتي أمكن أن تحتلها ذرات شديدة البرودة من عنصر الروبيديوم -87. ومن خلال ضبط المعاملات المختلفة، تمكن الفريق من منع قفز الجسيمات فرديا وتشجيع قفزها في أزواج، ما أدى إلى تفاعلات تطابق تفاعلات الجسيمات الثقيلة، كما تصفها شبكة أحادية البعد في نظرية القياس المعروفة باسم نموذج شوينجر.
بعد إنشاء نظامهم، ملأ الباحثون الشبكة بذرات في حالتها الأرضية، بحيث يتناوب فيها لف الذرات لأعلى ولأسفل، وهي حالة كمومية حرجة تشبه المغناطيسية المتضادة. ثم تتبعوا النظام أثناء تسخينه. فوجدوا أنه وبعد مرور وقت طويل، لم تصل الأنظمة الكمومية المغلقة بالضرورة إلى حالة الإنتروبيا القصوى، على عكس نظيراتها الكلاسيكية. لقد ظهر جليا المنع المسبق للنظام من السخونة في تجربة USTC، كما هو متوقع. لكن، وعلى غير المتوقع، فقد كان ذلك مرتبطًا بالحالة الكمية الحرجة. يقول وانج أن هذا الاكتشاف يمكن أن يساعد في توضيح كيفية حدوث عملية التسخين في نظرية قياس.
– تشارلز داي، محرر أول في مجلة الفيزياء.
August 1, 2023• Physics 16, s115
مراجع
هان يي وانج وآخرون، “التسخين المترابط والصفات الحرجية الكمية في محاكاة مقياس الشبكة”
H.-Y. Wang et al., “Interrelated thermalization and quantum criticality in a lattice gauge simulator,” Phys. Rev. Lett. 131, 050401 (2023).