پرش به محتوا

شبیه ساز کوانتومی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد

شبیه ساز های کوانتومی ( به انگلیسی : Quantum simulators )اجازه مطالعه و بررسی سیستم های کوانتومی را به شیوه قابل برنامه ریزی میسر میکند. در این حالت، شبیه ساز ها، دستگاه هایی خاص منظوره هستند که طراحی شدند تا برای ما بینشی درباره مشکلات ویژه فیزیک فراهم کنند.[۱][۲][۳]شبیه ساز های کوانتومی ممکن است با کامپیوتر های کوانتوم "دیجیتال"،که قادر به حل یک کلاس گسترده تر از مشکلات کوانتوم هستند،در مقایسه باشند.

یک شبیه ساز کوانتومی جهانی یک کوانتوم کامپیوتر است که توسط یوری مانین در سال 1980[۴] و ریچارد فاینمن در سال 1982 پیشنهاد شد.[۵]

یک سیستم کوانتومی متشکل از بسیاری از ذرات میتواند بوسیله یک کامپیوتر کوانتومی با استفاده از تعدادی بیت کوانتومی شبیه به تعداد ذرات در سیستم اصلی، شبیه سازی شود.[۵]این به کلاس های بسیار بزرگتر سیستم های کوانتومی گسترش یافته است.[۶][۷][۸][۹]

شبیه ساز های کوانتومی بر روی بسیاری از پلتفرم های آزمایشی از جمله سیستم های گاز های کوانتومی سرد (به انگلیسی:ultracold quantum gases)،مولکول های قطبی،یون های حبس شده،سیستم های فوتونیک،نقاط کوانتومی و مدار های ابررسانا تحقق یافته اند.[۱۰]

حل مسائل فیزیک[ویرایش]

بسیاری از مسائل مهم در فیزیک بویژه فیزیک دمای پایین و فیزیک چند پیکره، هنوز به خوبی درک نشدند به دلیل اینکه مکانیک کوانتومی پایه ان بسیار پیچیده است. کامپیوتر های سنتی، از جمله سوپرکامپیوتر ها، برای شبیه سازی سیستم های کوانتومی حتی با تعداد کم 30 ذره هم کافی نیستند چرا که بعد فضای هیلبرت به صورت نمایی با تعداد ذرات رشد میکند.[۱۱] ابزار های محاسباتی بهتری نیاز داریم تا موادی که خواص انها با رفتارکوانتومی گروه های بسیار زیاد ذرات وابسته است، را درک کنیم و بصورت معقولانه طراحی کنیم.[۳][۲]شبیه ساز های کوانتومی یک مسیر جایگزین برای فهمیدن و درک خواص این سیستم ها، فراهم میکند.این شبیه سازها فهم درستی از سیستم های خاصی که به ان علاقه مند هستیم ایجاد میکند که این امر به درک دقیق خصوصیات انها اجاز میدهد.کنترل دقیق روی پارامترهای سیستم و قابلیت تنظیم پذیری گسترده انها ،اجازه میدهد تا تاثیر پارامترهای مختلف به خوبی از هم جدا شوند.

شبیه ساز های کوانتومی میتوانند مسائلی را که بر روی کامپیوتر های کلاسیک،شبیه سازی انها دشوار است ، حل کنند زیرا انها بصورت مستقیم از خصوصیات کوانتومی ذرات واقعی استفاده میکنند.به خصوص، انها از ویژگی های مکانیک کوانتومی به نام برهم نهی استفاده میکنند که در ان یک ذره کوانتومی ایجاد میشود تا بصورت همزمان در دو حالت مختلف باشد، به عنوان مثال، همسو و ناهمسو با یک میدان مغناطیسی خارجی.مهم تر از ان، شبیه ساز ها از ویژگی دوم کوانتوم به نام درهم تنیدگی هم استفاده میکنند، که به رفتار ذرات ،حتی انها که بصورت فیزیکی از هم دور هستند،با هم همبستگی داشته باشند.[۲][۳][۱۲]

اخیرا شبیه ساز های کوانتومی برای بدست اوردن کریستال زمان[۱۳][۱۴] و مایع اسپین کوانتومی[۱۵][۱۶] استفاده شده است.

شبیه ساز های یون های حبس شده[ویرایش]

سیستم مبتنی بر تله یونی یک محیط ایده آل برای شبیه سازی فعل و انفعالات در مدل های کوانتومی اسپین میسازد.[۱۷]یک شبیه ساز یون محبوس،ساخته شده توسط یک تیم شامل NIST میتواند فعل و انفعالات میان صد ها بیت کوانتومی (کیو بیت) را مهندسی و کنترل کند.[۱۸]تلاش های قبلی نتوانستند فراتر از 30 کیوبیت بروند.قابلیت این شبیه ساز 10 برابر بیشتر از دستگاه های قبلی است.این شبیه ساز از مجموعه ای از تست های معیار مهم گذر کرده است که نشان میدهد توانایی حل مسائل در علم مواد که مدل سازی انها بر روی کامپیوتر های سنتی غیرممکن است،دارد.

شبیه ساز یون محبوس متشکل از یک بلور کوچک،تک پایه از صدها یون بریلیوم،با قطر کمتر از یک میلیمتر است که در یک دستگاه به نام دام پنینگ معلق است.بیرونی ترین الکترون هر یون مانند یک آهنربای کوانتومی کوچک عمل میکند و به عنوان یک کیوبیت ،معادل کوانتومی "1"و"0" در یک کامپیوتر سنتی، استفاده میشود.در آزمایش معیار، فیزیکدانان از اشعه های لیزر برای پایین اورده دمای انها تا صفر مطلق استفاده کردند.پالس های دقیق مایکروویو و لیزر با تقلید از رفتار های کوانتومی مواد باعث تعامل کیوبیت ها میشود، که در غیر اینصورت مطالعه انها در آزمایشگاه بسیار دشوار است.هرچند شاید دو سیستم از لحاظ ظاهری متفاوت باشند، رفتار انها طوری مهندسی شده که از لحاظ ریاضیاتی کاملا شبیه باشند. به این ترتیب شبیه ساز ها به محققان اجازه میدهد تا پارامتر هایی که در جامدات طبیعی نمیتوان تغییر داد،مانند فاصله شبکه اتم و هندسه، را تغییر دهند.

فریدنائور و همکاران،بصورت آدیاباتیک دو اسپین را دستکاری کردند ،و جداسازی انها به دوحالت فرومغناطیسی و ضد فرومغناطیسی نشان دادند.[۱۹] کیم و همکاران، شبیه ساز کوانتومی یون های حبس شده تا 3 اسپین گسترش دادند.با تعملات آیزینگ فرومغناطیسی جهانی که شامل نا امیدی و نشان دادن ارتباط بین نا امیدی و درهم تنیدگی [۲۰]و اسلام وهمکاران، از شبیه سازی کوانتومی آداباتیک برای نشان دادن تیز شدن یک گذار فازی بین پارامغناطیسی و فرومغناطیسی استفاده کرده که باعث افزایش تعداد اسپین از 2 تا 9 شد.[۲۱]باریر و همکاران، یک شبیه ساز کوانتومی دیجیتال از اسپین های تعاملی با حداکثر 5 یون حبس شده بوسیله جفت شدن با یک مخزن باز، ایجاد کردند[۲۲] و لانیون و همکاران، شبیه ساز کوانتومی دیجیتال با حداکثر 6 یون نشان دادند.[۲۳]اسلام و همکاران،شبیه ساز کوانتومی آدیاباتیک از مدل آیزینگ عرضی با تعاملات محدوده مختلف با حداکثر 18 اسپین محبوس را تشریح دادند و کنترل سطح ناامیدی اسپین را بوسیله تنظیم محدوده تعاملات ضد فرومغناطیسی نشان دادند[۲۴] و بریتون و همکاران از NIST، تعاملات آیزینگ در یک سیستم متشکل از صد ها کیوبیت برای مطالعات مغناطیس کوانتومی ،بصورت تجربی محک زده شده است.پاگانو و همکاران، یک سیستم نگهداری یون‌های کریوژنیک(به انگلیسی : cryogenic ion) جدید را گزارش دادند که برای ذخیره‌سازی طولانی مدت زنجیره‌های بزرگ یونی، نشان دادن عملیات هماهنگ یک و دو کیوبیتی را برای زنجیره‌های تا ۴۴ یون طراحی شده است.[۲۵]جوشی و همکاران، دینامیک کوانتومی 51 یون کنترل شده بصورت جداگانه را بررسی کردند و زنجیره اسپین با تعاملات بلند مدت را تحقق بخشیدند.[۲۶]

شبیه ساز های اتم فوق سرد[ویرایش]

بسیاری از آزمایش های اتم فوق سرد نمونه هایی از شبیه ساز های کوانتومی هستند.این شامل آزمایش های مطالعه بوزون ها(به انگلیسی:bosons) یا فرمیون ها (به انگلیسی:fermions ) در شبکه های نوری (به انگلیسی : optical lattices) ،گاز فرمی واحد (به انگلیسی :unitary Fermi gas )، آرایه های اتم رایدبرگ (به انگلیسی :Rydberg atom) در انبرک نوری ( به انگلیسی :optical tweezers). یک موضوع مشترک برای این آزمایش ها، توانایی فهم هامیلتونین (به انگلیسی :Hamiltonians)های عمومی مانند هامیلتونین هابارد(به انگلیسی: Hubbard) یا آیزینگ میدان عرضی(به انگلیسی: transverse-field Ising) است.اهداف اصلی ای آزمایش ها شامل شناسایی فاز های دمای پایین یا پیگیری دینامیک خارج از تعادل برای مدل های مختلف است،مسائلی که از نظر تئوری و عددی غیر قابل حل هستند.[۲۷][۲۸]آزمایش های دیگر مدل های ماده چگال در مناطقی که با مواد سنتی دشوار یا غیرقابل درک هستند، مانند مدل هالدین(به انگلیسی : Haldane) و مدل هارپر-هافستادتر (به انگلیسی :Harper-Hofstadter) را قابل فهم کرده است.[۲۹][۳۰][۳۱][۳۲][۳۳]

کیوبیت های ابر رسانا[ویرایش]

شبیه ساز های کوانتومی با استفاده از کیوبیت های ابررسانا به دو دسته اصلی تقسیم میشوند. اول، که به ان تبرید کوانتومی(به انگلیسی:Quantum annealing) گفته میشود، وضعیت های پایه هامیلتونی خاص بعد از یک رامپ آدیاباتیک (به انگلیسی:adiabatic ramp) تعیین میکند. این روش گاهی محاسبات کوانتومی آدیاباتیک (به انگلیسی :adiabatic quantum computing) نامیده میشود.دوم، بسیاری از سیستم ها هامیلتونینی های خاص را شبیه سازی کرده و خصوصیات پایه ای ،گذر فاز کوانتومی (به انگلیسی:quantum phase transitions) یا دینامیک زمان انها را مطالعه میکنند.[۳۴]چندین نتیجه مهم اخیر شامل تحقق Mott insulator در یک driven-dissipative Bose-Hubbard system و مطالعات انتقال فاز ها در شبکه های تشدید کننده ابرسانا که با کیوبیت ها جفت شده اند.[۳۵][۳۶]

جستار های وابسته[ویرایش]

منابع[ویرایش]

  1. ↑ Britton, Joseph W.; Sawyer, Brian C.; Keith, Adam C.; Wang, C.-C. Joseph; Freericks, James K.; Uys, Hermann; Biercuk, Michael J.; Bollinger, John J. (2012-04). "Engineered two-dimensional Ising interactions in a trapped-ion quantum simulator with hundreds of spins". Nature (به انگلیسی). 484 (7395): 489–492. doi:10.1038/nature10981. ISSN 0028-0836. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
  2. ↑ ۲٫۰ ۲٫۱ ۲٫۲ Swyt, Dennis A (1992). "The Federal move to metric:". Gaithersburg, MD. {{cite journal}}: Cite journal requires |journal= (help)
  3. ↑ ۳٫۰ ۳٫۱ ۳٫۲ Johnson, Tomi H; Clark, Stephen R; Jaksch, Dieter (2014-12). "What is a quantum simulator?". EPJ Quantum Technology (به انگلیسی). 1 (1). doi:10.1140/epjqt10. ISSN 2196-0763. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
  4. ↑ Jensen, Rolf H. (2013-10-28). "Planleggerprofesjonens utvikling gjennom de siste hundre år". Plan. 45 (4–5): 6–15. doi:10.18261/issn1504-3045-2013-04-05-03. ISSN 0805-083X.
  5. ↑ ۵٫۰ ۵٫۱ Feynman, Richard P. (1982-06). "Simulating physics with computers". International Journal of Theoretical Physics (به انگلیسی). 21 (6–7): 467–488. doi:10.1007/BF02650179. ISSN 0020-7748. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
  6. ↑ Aharonov, Dorit; Ta-Shma, Amnon (2003). "Adiabatic quantum state generation and statistical zero knowledge". Proceedings of the thirty-fifth ACM symposium on Theory of computing - STOC '03. New York, New York, USA: ACM Press. doi:10.1145/780543.780546.
  7. ↑ Berry, Dominic W.; Ahokas, Graeme; Cleve, Richard; Sanders, Barry C. (2007-03). "Efficient Quantum Algorithms for Simulating Sparse Hamiltonians". Communications in Mathematical Physics (به انگلیسی). 270 (2): 359–371. doi:10.1007/s00220-006-0150-x. ISSN 0010-3616. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
  8. ↑ Childs, Andrew M. (2010-03). "On the Relationship Between Continuous- and Discrete-Time Quantum Walk". Communications in Mathematical Physics (به انگلیسی). 294 (2): 581–603. doi:10.1007/s00220-009-0930-1. ISSN 0010-3616. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
  9. ↑ Kliesch, M.; Barthel, T.; Gogolin, C.; Kastoryano, M.; Eisert, J. (2011-09-12). "Dissipative Quantum Church-Turing Theorem". Physical Review Letters (به انگلیسی). 107 (12). doi:10.1103/PhysRevLett.107.120501. ISSN 0031-9007.
  10. ↑ Trabesinger, Andreas (2012-04). "Quantum simulation". Nature Physics. 8 (4): 263–263. doi:10.1038/nphys2258. ISSN 1745-2473. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
  11. ↑ Lloyd, Seth (1996-08-23). "Universal Quantum Simulators". Science (به انگلیسی). 273 (5278): 1073–1078. doi:10.1126/science.273.5278.1073. ISSN 0036-8075.
  12. ↑ Cirac, J. Ignacio; Zoller, Peter (2012-04). "Goals and opportunities in quantum simulation". Nature Physics (به انگلیسی). 8 (4): 264–266. doi:10.1038/nphys2275. ISSN 1745-2473. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
  13. ↑ Kyprianidis, A.; Machado, F.; Morong, W.; Becker, P.; Collins, K. S.; Else, D. V.; Feng, L.; Hess, P. W.; Nayak, C. (2021-06-11). "Observation of a prethermal discrete time crystal". Science (به انگلیسی). 372 (6547): 1192–1196. doi:10.1126/science.abg8102. ISSN 0036-8075.
  14. ↑ . 2021-03-01. doi:10.54499/sfrh/bd/151190/2021 http://dx.doi.org/10.54499/sfrh/bd/151190/2021. {{cite journal}}: Cite journal requires |journal= (help); Missing or empty |title= (help)
  15. ↑ Semeghini, G.; Levine, H.; Keesling, A.; Ebadi, S.; Wang, T. T.; Bluvstein, D.; Verresen, R.; Pichler, H.; Kalinowski, M. (2021-12-03). "Probing topological spin liquids on a programmable quantum simulator". Science (به انگلیسی). 374 (6572): 1242–1247. doi:10.1126/science.abi8794. ISSN 0036-8075.
  16. ↑ Hevia, Jose Luis; Murina, Ezequiel; Peterssen, Guido; Piattini, Mario (2021). "A New Path to Create Solutions for Quantum Annealing Problems". Journal of Quantum Information Science. 11 (03): 112–123. doi:10.4236/jqis.2021.113009. ISSN 2162-5751.
  17. ↑ Monroe, C.; Campbell, W. C.; Duan, L.-M.; Gong, Z.-X.; Gorshkov, A. V.; Hess, P. W.; Islam, R.; Kim, K.; Linke, N. M. (2021-04-07). "Programmable quantum simulations of spin systems with trapped ions". Reviews of Modern Physics (به انگلیسی). 93 (2). doi:10.1103/RevModPhys.93.025001. ISSN 0034-6861.
  18. ↑ Britton, Joseph W.; Sawyer, Brian C.; Keith, Adam C.; Wang, C.-C. Joseph; Freericks, James K.; Uys, Hermann; Biercuk, Michael J.; Bollinger, John J. (2012-04). "Engineered two-dimensional Ising interactions in a trapped-ion quantum simulator with hundreds of spins". Nature (به انگلیسی). 484 (7395): 489–492. doi:10.1038/nature10981. ISSN 0028-0836. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
  19. ↑ Friedenauer, A.; Schmitz, H.; Glueckert, J. T.; Porras, D.; Schaetz, T. (2008-10). "Simulating a quantum magnet with trapped ions". Nature Physics (به انگلیسی). 4 (10): 757–761. doi:10.1038/nphys1032. ISSN 1745-2473. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
  20. ↑ Kim, K.; Chang, M.-S.; Korenblit, S.; Islam, R.; Edwards, E. E.; Freericks, J. K.; Lin, G.-D.; Duan, L.-M.; Monroe, C. (2010-06). "Quantum simulation of frustrated Ising spins with trapped ions". Nature (به انگلیسی). 465 (7298): 590–593. doi:10.1038/nature09071. ISSN 0028-0836. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
  21. ↑ Islam, R.; Edwards, E.E.; Kim, K.; Korenblit, S.; Noh, C.; Carmichael, H.; Lin, G.-D.; Duan, L.-M.; Joseph Wang, C.-C. (2011-07-05). "Onset of a quantum phase transition with a trapped ion quantum simulator". Nature Communications (به انگلیسی). 2 (1). doi:10.1038/ncomms1374. ISSN 2041-1723.
  22. ↑ Barreiro, Julio T.; Müller, Markus; Schindler, Philipp; Nigg, Daniel; Monz, Thomas; Chwalla, Michael; Hennrich, Markus; Roos, Christian F.; Zoller, Peter (2011-02). "An open-system quantum simulator with trapped ions". Nature (به انگلیسی). 470 (7335): 486–491. doi:10.1038/nature09801. ISSN 0028-0836. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
  23. ↑ Lanyon, B. P.; Hempel, C.; Nigg, D.; Müller, M.; Gerritsma, R.; Zähringer, F.; Schindler, P.; Barreiro, J. T.; Rambach, M. (2011-10-07). "Universal Digital Quantum Simulation with Trapped Ions". Science (به انگلیسی). 334 (6052): 57–61. doi:10.1126/science.1208001. ISSN 0036-8075.
  24. ↑ Islam, R.; Senko, C.; Campbell, W. C.; Korenblit, S.; Smith, J.; Lee, A.; Edwards, E. E.; Wang, C.-C. J.; Freericks, J. K. (2013-05-03). "Emergence and Frustration of Magnetism with Variable-Range Interactions in a Quantum Simulator". Science (به انگلیسی). 340 (6132): 583–587. doi:10.1126/science.1232296. ISSN 0036-8075.
  25. ↑ Pagano, G; Hess, P W; Kaplan, H B; Tan, W L; Richerme, P; Becker, P; Kyprianidis, A; Zhang, J; Birckelbaw, E (2018-10-09). "Cryogenic trapped-ion system for large scale quantum simulation". Quantum Science and Technology. 4 (1): 014004. doi:10.1088/2058-9565/aae0fe. ISSN 2058-9565.
  26. ↑ Joshi, M. K.; Kranzl, F.; Schuckert, A.; Lovas, I.; Maier, C.; Blatt, R.; Knap, M.; Roos, C. F. (2022-05-13). "Observing emergent hydrodynamics in a long-range quantum magnet". Science (به انگلیسی). 376 (6594): 720–724. doi:10.1126/science.abk2400. ISSN 0036-8075.
  27. ↑ Bloch, Immanuel; Dalibard, Jean; Nascimbène, Sylvain (2012-04). "Quantum simulations with ultracold quantum gases". Nature Physics (به انگلیسی). 8 (4): 267–276. doi:10.1038/nphys2259. ISSN 1745-2473. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
  28. ↑ Jotzu, Gregor; Messer, Michael; Desbuquois, Rémi; Lebrat, Martin; Uehlinger, Thomas; Greif, Daniel; Esslinger, Tilman (2014-11-13). "Experimental realization of the topological Haldane model with ultracold fermions". Nature (به انگلیسی). 515 (7526): 237–240. doi:10.1038/nature13915. ISSN 0028-0836.
  29. ↑ Jotzu, Gregor; Messer, Michael; Desbuquois, Rémi; Lebrat, Martin; Uehlinger, Thomas; Greif, Daniel; Esslinger, Tilman (2014-11-13). "Experimental realization of the topological Haldane model with ultracold fermions". Nature (به انگلیسی). 515 (7526): 237–240. doi:10.1038/nature13915. ISSN 0028-0836.
  30. ↑ Simon, Jonathan (2014-11-13). "Magnetic fields without magnetic fields". Nature (به انگلیسی). 515 (7526): 202–203. doi:10.1038/515202a. ISSN 0028-0836.
  31. ↑ Zhang, Dan-Wei; Zhu, Yan-Qing; Zhao, Y. X.; Yan, Hui; Zhu, Shi-Liang (2018-10-02). "Topological quantum matter with cold atoms". Advances in Physics (به انگلیسی). 67 (4): 253–402. doi:10.1080/00018732.2019.1594094. ISSN 0001-8732.
  32. ↑ Alberti, Andrea; Robens, Carsten; Alt, Wolfgang; Brakhane, Stefan; Karski, Michał; Reimann, René; Widera, Artur; Meschede, Dieter (2016-05-06). "Super-resolution microscopy of single atoms in optical lattices". New Journal of Physics. 18 (5): 053010. doi:10.1088/1367-2630/18/5/053010. ISSN 1367-2630.
  33. ↑ Robens, Carsten; Brakhane, Stefan; Meschede, Dieter; Alberti, A. (2016-12). "Quantum Walks with Neutral Atoms: Quantum Interference Effects of One and Two Particles" (به انگلیسی). WORLD SCIENTIFIC: 1–15. doi:10.1142/9789813200616_0001. ISBN 978-981-320-060-9. {{cite journal}}: Cite journal requires |journal= (help); Check date values in: |date= (help)
  34. ↑ Paraoanu, G. S. (2014-06). "Recent Progress in Quantum Simulation Using Superconducting Circuits". Journal of Low Temperature Physics (به انگلیسی). 175 (5–6): 633–654. doi:10.1007/s10909-014-1175-8. ISSN 0022-2291. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
  35. ↑ Ma, Ruichao; Saxberg, Brendan; Owens, Clai; Leung, Nelson; Lu, Yao; Simon, Jonathan; Schuster, David I. (2019-02). "A dissipatively stabilized Mott insulator of photons". Nature (به انگلیسی). 566 (7742): 51–57. doi:10.1038/s41586-019-0897-9. ISSN 0028-0836. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
  36. ↑ Fitzpatrick, Mattias; Sundaresan, Neereja M.; Li, Andy C. Y.; Koch, Jens; Houck, Andrew A. (2017-02-10). "Observation of a Dissipative Phase Transition in a One-Dimensional Circuit QED Lattice". Physical Review X (به انگلیسی). 7 (1). doi:10.1103/PhysRevX.7.011016. ISSN 2160-3308.
برگرفته از «https://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=شبیه_ساز_کوانتومی&oldid=39797411»