מה קפה עם שמנת יכול ללמד אותנו על פיזיקת הקוונטים

פרסומת
X-ray_Promo1


הוסף קורט קרם לקפה של הבוקר שלך, ועננים של נוזל לבן יסתחררו סביב הכוס שלך. אבל תן לזה כמה שניות, והמערבולות האלה ייעלמו, וישאירו אותך עם ספל רגיל של נוזל חום.

פרסומת

משהו דומה מתרחש בשבבי מחשב קוונטיים – מכשירים שמתחברים לתכונות המוזרות של היקום בהיקפים הקטנים ביותר שלו – שם מידע יכול להתערבב במהירות, ולהגביל את יכולות הזיכרון של הכלים הללו.

זה לא חייב להיות המקרה, אמר Rahul Nandkishore, פרופסור חבר לפיזיקה באוניברסיטת קולורדו בולדר.

בהפיכה חדשה לפיזיקה תיאורטית, הוא ועמיתיו השתמשו במתמטיקה כדי להראות שמדענים יכולים ליצור, בעצם, תרחיש שבו החלב והקפה לעולם לא מתערבבים – לא משנה כמה חזק אתה מערבב אותם.

הממצאים של הקבוצה עשויים להוביל להתקדמות חדשה בשבבי מחשב קוונטיים, שיספקו למהנדסים דרכים חדשות לאחסן מידע בחפצים זעירים להפליא.

"חשבו על הדפוסים המתערבלים הראשוניים המופיעים כשאתם מוסיפים שמנת לקפה של הבוקר", אמר ננדקישור, מחבר בכיר של המחקר החדש. "תאר לעצמך אם הדפוסים האלה ימשיכו להסתחרר ולרקוד לא משנה כמה זמן צפית."

החוקרים עדיין צריכים לערוך ניסויים במעבדה כדי לוודא שהמערבולות הבלתי נגמרות האלה באמת אפשריות. אבל התוצאות של הקבוצה הן צעד גדול קדימה עבור פיזיקאים המבקשים ליצור חומרים שנשארים מחוסר איזון, או שיווי משקל, לפרקי זמן ארוכים – מרדף המכונה "שבירת ארגודיות".

ממצאי הצוות הופיעו השבוע בגיליון האחרון של מכתבי סקירה פיזית.

זיכרון קוונטי

המחקר, הכולל מחברים משותפים דיוויד סטיבן ואוליבר הארט, חוקרים פוסט-דוקטורט בפיזיקה ב-CU Boulder, תלוי בבעיה נפוצה במחשוב קוונטי.

מחשבים רגילים פועלים על "סיביות", שלובשים צורה של אפסים או אחדים. ננדקישור הסביר שמחשבים קוונטיים, לעומת זאת, משתמשים ב"קיוביטים", שיכולים להתקיים כאפס, אחד או, דרך המוזרות של הפיזיקה הקוונטית, אפס ואחד בו-זמנית. מהנדסים יצרו קיוביטים ממגוון רחב של דברים, כולל אטומים בודדים שנלכדו על ידי לייזרים או מכשירים זעירים הנקראים מוליכים.

אבל בדיוק כמו כוס הקפה, קיוביטים יכולים להתערבב בקלות. אם תהפוך, למשל, את כל הקיוביטים שלך לאחד, הם יתהפכו בסופו של דבר קדימה ואחורה עד שהשבב כולו יהפוך לבלגן לא מאורגן.

במחקר החדש, ייתכן ש-Nandkishore ועמיתיו מצאו דרך לעקוף את הנטייה הזו לערבוב. הקבוצה חישבה שאם מדענים מסדרים קיוביטים לתבניות מסוימות, המכלולים האלה ישמרו על המידע שלהם – גם אם תפריע להם באמצעות שדה מגנטי או שיבוש דומה. זה יכול, אמר הפיזיקאי, לאפשר למהנדסים לבנות מכשירים עם סוג של זיכרון קוונטי.

"זו יכולה להיות דרך לאחסן מידע", אמר. "אתם הייתם כותבים מידע לתוך הדפוסים האלה, ולא ניתן היה להשפיל את המידע."

הקשה על גיאומטריה

במחקר, החוקרים השתמשו בכלי מידול מתמטי כדי לדמיין מערך של מאות עד אלפי קיוביטים המסודרים בתבנית דמוית לוח דמקה.

הטריק, הם גילו, היה לדחוף את הקיוביטים לנקודה קשה. אם קיוביטים מתקרבים מספיק זה לזה, הסביר Nadkishore, הם יכולים להשפיע על התנהגות שכניהם, כמעט כמו קהל של אנשים שמנסים להידחק לתא טלפון. חלק מהאנשים האלה אולי עומדים זקופים או על הראש, אבל הם לא יכולים להתהפך בלי לדחוף על כולם.

החוקרים חישבו שאם הם מסדרים את התבניות האלה בדיוק בצורה הנכונה, הדפוסים האלה עלולים לזרום סביב שבב מחשב קוונטי ולעולם לא ידרדרו – בדומה לעננים של שמנת שמתערבלים לנצח בקפה שלך.

"הדבר הנפלא במחקר הזה הוא שגילינו שאנחנו יכולים להבין את התופעה הבסיסית הזו דרך מה שהיא גיאומטריה כמעט פשוטה", אמר ננדקישור.

הממצאים של הצוות יכולים להשפיע על הרבה יותר מסתם מחשבים קוונטיים.

ננדקישור הסביר שכמעט כל דבר ביקום, מכוסות קפה ועד לאוקיאנוסים עצומים, נוטה לנוע לעבר מה שמדענים מכנים "שיווי משקל תרמי". אם תפילו קוביית קרח לתוך הספל שלכם, למשל, החום מהקפה שלכם ימיס את הקרח, ובסופו של דבר יווצר נוזל עם טמפרטורה אחידה.

הממצאים החדשים שלו, לעומת זאת, מצטרפים לגוף הולך וגדל של מחקרים המצביעים על כך שכמה ארגונים קטנים של חומר יכולים להתנגד לשיווי המשקל הזה – לכאורה לשבור כמה מהחוקים הבלתי ניתנים לשינוי של היקום.

"לא נצטרך לעשות מחדש את המתמטיקה שלנו עבור קרח ומים," אמר ננדקישור. "תחום המתמטיקה שאנו מכנים פיזיקה סטטיסטית מצליח להפליא לתיאור דברים שאנו נתקלים בהם בחיי היומיום. אבל יש הגדרות שאולי זה לא רלוונטי".



קישור לכתבת המקור – 2024-01-24 20:28:30

Facebook
Twitter
LinkedIn
Telegram
WhatsApp
Email
פרסומת
תכנון תשתיות רפואיות

עוד מתחומי האתר