Bir parçacığı tamamen durduran sıra dışı bir kuantum etkisi, bilim insanları tarafından yeniden oluşturuldu. Deney hibrit bir kuantum bilgisayarla yapıldı. Oxford Üniversitesi araştırmacıları, bir parçacığın manyetik alandan geçmeden ondan etkilenebildiğini gösteren Aharonov-Bohm etkisini yeniden üretirken görünmez manyetik etkinin simüle edilen parçacığı tamamen durdurduğunu gözlemledi. Sonuç Nature Physics dergisinde yayımlandı. Çalışmada, kuantum bilgisinin temel birimleri olan kübitler ile titreşim hareketini temsil eden kuantum osilatörleri birleştirilerek klasik bilgisayarlarla simülasyonu giderek zorlaşan madde-alan etkileşimleri incelendi.
Etki, 1959’da fizikçiler Yakir Aharonov ve David Bohm tarafından öngörülmüştü. Yüklü bir parçacık, manyetik akı içeren bölgenin tamamen dışından geçse bile kuantum fazında ölçülebilir bir değişim yaşayabiliyordu. Fazın kendisi doğrudan görülmez. Buna rağmen faz farkları ölçülebilir etkiler doğurur ve bu öngörü daha sonra gerçek elektronlarla yapılan deneylerde doğrulandı.
Bu kez odak, kafes gauge teorileri oldu. Araştırmacılar, maddenin temel kuvvetlerle ilişkili alanlarla etkileşimini tanımlayan bu teorilerde aynı olguyu inceliyor. Uzay burada bir ızgara gibi temsil ediliyor. Madde noktalarda, alanlar ise bu noktalar arasındaki bağlantılarda yer alıyor. Parçacık ve yüksek enerji fiziğinde önem taşıyan bu modellerin matematiği, sistemler karmaşıklaştıkça güçlü klasik bilgisayarları bile zorluyor. Kuantum simülasyonu ise aynı temel kuralları izleyen başka bir kuantum sistem kurarak onun davranışını doğrudan gözlemeye dayanıyor.
Proje 2022’de başladı. Çalışmanın başyazarı Dr. Sebastian Saner olurken Dr. Oana Bazavan ve Madrid’deki Instituto de Física Teórica’dan Dr. Alejandro Bermudez ile iş birliği yapıldı. Deney iki bileşen kullandı. Elektromanyetik alanlarla yerinde tutulan yüklü atomların iç durumlarına kodlanan kübitler gauge alanlarını, aynı iyonların titreşimlerinden oluşan osilatörler ise maddeyi temsil etti. İki osilatör iki konumdaki maddeyi, iki kübit ise bu konumları birleştiren alanları temsil ederek basit bir halka oluşturdu.
Ekip akıyı kübitlere kodladı. İki kübit, halkanın merkezinden geçen manyetik akıyı temsil eden dolanık bir kuantum durumuna getirildi. Başlangıç planı farklıydı. Akının sabit bir arka plan koşulu olarak eklenmesi planlanmıştı, ancak kullanılan donanım bu yaklaşımı doğrudan uygulamaya elvermedi. Akının kübitlere kodlanması pratik bir alternatif sundu ve akıyı gelişen sistemin parçası haline getirdi. Dr. Saner, “Bizim için heyecan verici adım, manyetik akıyı kendisi dinamik olan bir gauge alanına kodlamaktı” diyor.
Simülasyon tünellemeyi sınadı. Manyetik akı yokken parçacık halkada serbestçe tünellenebiliyordu. Akı eklendiğinde iki olası yolun göreli fazları değişti, yollar yıkıcı girişimle birbirini yok etti ve tünelleme tamamen baskılandı. Parçacık başlangıç durumunda dondu. Sonuçta Aharonov-Bohm etkisi, dinamik bir alan içeren kafes gauge teorisinde gösterilmiş oldu.
Bulgular birlikte yayımlandı. Profesör Norbert Linke liderliğindeki Maryland Üniversitesi ekibi de Yukawa potansiyelini simüle eden ilgili bir çalışma gerçekleştirdi. İki grup yöntemlerini bağımsız geliştirdi. Ancak makalelerini Nature Physics’e eşgüdümlü olarak sundu.
Neden önemli
Bu deney, kuantum bilgisayarların klasik makinelerin yetmekte zorlandığı fizik problemlerine uygulanabileceğini somut bir örnekle gösteriyor. Parçacık ve yüksek enerji fiziğinin temel modelleri olan kafes gauge teorileri, sistem karmaşıklaştıkça en güçlü klasik bilgisayarları bile aştığından, hibrit simülatör bu darboğaza alternatif bir yol sunuyor. Kübitlerle osilatörleri aynı donanımda birleştiren tasarımın, üstelik planlanmamış bir donanım kısıtından doğması, sınırlı kaynakla daha karmaşık sistemlerin temsil edilebileceğine işaret ediyor. İki bağımsız ekibin farklı yöntemlerle geliştirdiği çalışmaları aynı dergide eş zamanlı yayımlaması, bulgunun tek bir laboratuvara özgü olmadığını destekliyor. Açık kalan soru ise bu yaklaşımın daha büyük ölçekli ve gerçekçi fizik sistemlerine taşınıp taşınamayacağı.