تم رصد تغير الطور بعيد المنال أخيرًا في جهاز محاكاة الكم

بعد عقود من البحث، شاهد الباحثون سلسلة من الذرات تمر بمرحلة تغيير أحادية البعد، وهي مرحلة بعيدة المنال لدرجة أنها لا يمكن أن تحدث إلا داخل جهاز محاكاة كمي.

“دافع واحد [for our experiment] يحاول حقًا فهم الفيزياء الأساسية. يقول ألكسندر شوكرت من جامعة ميريلاند: «نحن نحاول أن نفهم فقط الحالات الأساسية التي يمكن أن تكون عليها المادة».

استخدم هو وزملاؤه المجالات الكهرومغناطيسية لترتيب 23 أيونًا من عنصر الإيتربيوم في خط، مشكلين سلسلة ذات بعد واحد تقريبًا. يمكن استخدام هذا الجهاز في الحوسبة الكمومية، لكن في هذه الحالة، استخدم الباحثون السلسلة كجهاز محاكاة بدلاً من ذلك.

ومن داخله، قاموا ببناء مغناطيس الإيتربيوم أحادي الأبعاد، ذرة واحدة في كل مرة. وتوقعت الحسابات السابقة أن هذا النوع من المغناطيس سيصبح غير ممغنط عند تسخينه، وذلك بفضل التأثيرات الكمومية. لكن لم تتمكن أي تجربة سابقة من تحقيق هذه المرحلة الانتقالية.

أحد أسباب الصعوبة هو أن أنظمة مثل أجهزة الكمبيوتر الكمومية وأجهزة المحاكاة عادة ما تعمل بشكل جيد فقط عندما تكون باردة جدًا. ويقول شوكرت إن تسخينها لتحقيق انتقال الطور قد يؤدي إلى حدوث أعطال.

ولتجنب ذلك، قام هو وزملاؤه بضبط الحالة الكمومية الأولية للذرات بحيث تتغير الحالة الجماعية للمغناطيس أحادي البعد مع مرور الوقت كما لو أن درجة حرارته قد ارتفعت. وكشف هذا عن المرحلة الانتقالية التي لم يسبق لها مثيل.

يعتبر هذا الإنجاز غريبًا للغاية، لأن سلاسل الذرات عمومًا لا ينبغي أن تمر بمراحل انتقالية، كما يقول محمد المغربي من جامعة ولاية ميشيغان. لم يتمكن الباحثون من هندسته إلا لأنهم تمكنوا من جعل كل أيون يتفاعل مع الأيونات الأخرى التي كانت بعيدة عنه، على الرغم من أنها لم تكن متلامسة. دفع هذا الخط بأكمله إلى سلوك جماعي غير عادي.

ونظرًا لأن جهاز المحاكاة الخاص بهم يجعل مثل هذه الحالات الغريبة للمادة ممكنة، فيمكن استخدامه لدراسة الأنظمة النظرية التي قد تكون نادرة جدًا – أو حتى غير موجودة – في الطبيعة، كما يقول مغربي.

يقترح شوكيرت أن أجهزة المحاكاة الكمومية يمكن أن تساعد أيضًا في تفسير السلوكيات الكهربائية أو المغناطيسية الغريبة التي تظهرها بعض المواد في العالم الحقيقي. ولكن للقيام بذلك، يجب أن تكون هذه الأجهزة قادرة على الوصول إلى درجات حرارة أعلى مما هي عليه اليوم. يمكنهم حاليًا وضع نماذج لدرجات حرارة شديدة البرودة فقط، لكنه يقول إن محاكاة درجات الحرارة الأعلى قد تكون ممكنة في غضون خمس سنوات.

ويمكن دراسة المزيد من الأنظمة الحالية والنظرية، إذا أمكن جعل أجهزة المحاكاة أكبر حجمًا، على سبيل المثال، عن طريق ترتيب الأيونات في مصفوفات ثنائية الأبعاد، كما يقول أندريا ترومبيتوني من جامعة تريست في إيطاليا. يقول: “سيقترح هذا فيزياء جديدة لاستكشافها”.