Oxford Bilim İnsanları Manyetik Alan Olmasa Da Parçacığı Durdurdu: Aharonov-Bohm Etkisi Simüle Edildi.

Oxford Üniversitesi fizikçileri, hibrit kuantum bilgisayarı kullanarak Aharonov-Bohm etkisini simüle eden ilk deneylerden birini gerçekleştirdi. Bu etkide, manyetik alanın hiç geçmediği bir bölge etrafında dönen parçacığın kuantum fazındaki değişim gözlemlendi ve bu sayede parçacığın iki konum arasındaki tünellemesi tamamen baskılandı.

Kuantum mekaniğinde yüklü bir parçacık, günlük fizikteki gibi elektrik ve manyetik alanlara tepki verir; ancak daha ince bir davranış da mümkündür. Parçacık, manyetik akının bulunduğu bölgeye hiç girmeden o bölge etrafında döndüğünde ölçülebilir bir faz değişimi kazanabilir. Bu olgu 1959’da fizikçiler Yakir Aharonov ve David Bohm tarafından öngörüldü ve daha sonra gerçek elektronlarla yapılan deneylerle doğrulandı.

Oxford ekibi şimdi bu olgunun, parçacık fiziğinde madde ile alan arasındaki etkileşimleri betimleyen matematiksel çerçeveler olan ızgara kalibrasyon teorilerinde (lattice gauge theories) nasıl davrandığını inceliyor. Bu teorislerde madde bir grid üzerindeki noktalarda yer alırken, kalibrasyon alanları bu noktaları birbirine bağlar.

출처: interestingengineering sitesinde yayımlanan habere göre

Tuzağa Alınmış İyonlardan Kuantum Döngüsü Kuruldu

Hometa 2022 yılında başlayan araştırma, yazarların maddenin kalibrasyon alanlarıyla nasıl etkileştiğini çalışmak için bir ızgara kalibrasyon teorisini simüle etmeyi hedefledi. Hibrit sistem, farklı roller üstlenen iki bileşeni bir araya getirdi: Hapsedilmiş iyonların iç elektronik durumlarına kodlanmış kuBit’ler (kuantum bitleri) kalibrasyon alanlarını; iyonların titreşimleriyle eşleşen kuantum osilatörleri ise maddeyi temsil etti.

Bilim insanları, iki konumdaki maddeyi temsil eden iki osilatörü, aralarındaki alanı temsil eden iki kuBit ile bağladı. Bu bileşenler birlikte, teorianın temel yapı taşı olan bir döngü oluşturdu. Ekip sistemi hazırlamak ve ölçmek için dijital işlemler kullanırken, etkileşimleri simüle etmek için analitik kuantum evrimi kullandı.

Parçacığın Hareketini Sıfırlayan Manyetik Akı

Bilim insanları iki kuBit’i, klasik karşılığı olmayan bir şekilde kuantum özellikleri birbirine bağlanan dolanık (entangled) duruma getirdi. Simülasyonda bu durum, döngüden geçen manyetik akını temsil etti.

Akın böyle kodlanması başlangıçta pratik bir çözümdü; donanım, akıyı sabit bir arka plan olarak eklemek için gereken etkileşimi sağlayamıyordu. Ancak yaklaşım aynı zamanda araştırmacılara daha ilginç bir konuyu inceleme imkanı da verdi: maddeyle birlikte evrebilen bir kalibrasyon alanını.

Bizim için heyecan verici adım, manyetik akıyı kendisi dinamik olan bir kalibrasyon alanında kodlamaktı. Madde sabit bir arka planda ilerlemek yerine, madde ve kalibrasyon alanı aynı kuantum dinamiğinin parçaları haline geldi.

Sebastian Saner, Oxford Üniversitesi’nde doktora sonrası (postdoc) araştırmacı ve çalışmanın baş araştırmacısı

Bilim insanları ardından döngü etrafındaki iki konum arasında madde parçacığının tünellemesini gözlemledi. Manyetik akı olmadığında parçacık serbestçe tünebiliyordu; akı girildiğinde ise iki olası yol yıkıcı girişim yaparak tünelleme sürecini sıfırladı ve sistemi başlangıç durumunda bıraktı.

Bu aşamada “Dinikal kalibrasyon alanlarıyla Aharonov-Bohm girişimini gözlemliyoruz; böylece yük ile akı arasındaki etkileşimi gösteriyoruz” denildi. Bu alanda manyetik akıyı kodlayan dinik kalibrasyon alanlarıyla Aharonov-Bohm girişiminin ortaya konması, elektrik yüküyle manyetik akı arasındaki karşılıklı etkileşimi gözler önüne serdi.

Kuantum Simülasyonları Temel Etkileşimlere Uzanıyor

Deney, madde ile manyetik alanın kuantum sistemlerde nasıl etkileştiğini çalışmak için bir yol sunuyor. Geliştirilmeye devam edildiğinde benzer simülasyonlar, sıradan bilgisayarla modellenmesi giderek zorlaşan daha karmaşık etkileşimleri araştırmaya yardımcı olabilir.

Bağlı bir çalışmada, Maryland Üniversitesi’nden Profesör Norbert Linke önderliğindeki ekip, nükleer ve parçacık fiziğinde ilgili bir etkileşim olan Yukawa potansiyelini simüle etmek için hibrit kuantum sistemi kullandı. İki çalışma da hibrit kuantum mimarilerinin, fiziksel dünyayı şekillendiren temel kuvvet ve etkileşimleri araştırmaya nasıl yardımcı olabileceğini gösteriyor.

Araştırma Nature Physics dergisinde yayımlanmış.