Araştırmacılar bir kuantum işlemci kullanarak mikrodalga fotonları alışılmadık şekilde yapışkan hale getirdiler. Onları bağlı hallerde bir araya gelmeleri için ikna ettikten sonra, bu foton kümelerinin normal, yalnız hallerine çözülmelerinin beklendiği bir rejimde hayatta kaldıklarını keşfettiler. Bu bulgu ilk kez bir kuantum işlemcisinde elde edildiğinden, bu platformların kuantum dinamiklerinin incelenmesinde oynadığı rolün giderek arttığına işaret ediyor.
Fotonlar (ışık veya mikrodalgalar gibi elektromanyetik radyasyonun kuantum paketleri) genellikle birbirleriyle etkileşime girmezler. Örneğin, iki çapraz el feneri ışını birbirinin içinden rahatsız edilmeden geçer. Ancak, mikrodalga fotonlarının bir dizi süper iletken kübit içinde etkileşime girmesi sağlanabilir. Google Quantum AI’daki araştırmacılar, 7 Aralık’ta Nature dergisinde yayınlanan “Etkileşen fotonların sağlam bağlı durumlarının oluşumu” başlıklı makalelerinde bu olağandışı durumu nasıl tasarladıklarını anlatıyor. Araştırmacılar mikrodalga fotonları barındırabilen 24 süper iletken kübitten oluşan bir halkayı incelediler. Komşu kübit çiftlerine kuantum kapıları uygulayarak, fotonlar komşu bölgeler arasında atlayarak ve yakındaki fotonlarla etkileşime girerek dolaşabiliyorlardı.
Fotonlar arasındaki etkileşimler fotonların “fazını” etkiler. Faz, fotonun dalga fonksiyonunun salınımını takip eder. Fotonlar etkileşim halinde değilken, faz birikimleri oldukça ilginç değildir. İyi prova edilmiş bir koro gibi, hepsi birbiriyle senkronize haldedir. Bu durumda, başlangıçta başka bir fotonun yanında olan bir foton, senkronizasyonu bozmadan komşusundan uzaklaşabilir. Tıpkı korodaki herkesin şarkıya katkıda bulunması gibi, fotonun izleyebileceği her olası yol da fotonun genel dalga fonksiyonuna katkıda bulunur. Başlangıçta komşu bölgelerde kümelenmiş bir grup foton, her bir fotonun alabileceği tüm olası yolların bir süperpozisyonuna dönüşecektir.
Fotonlar komşularıyla etkileşime girdiğinde durum artık böyle değildir. Eğer bir foton komşusundan uzaklaşırsa, faz birikim hızı değişir ve komşularıyla senkronize olmaz. Fotonların birbirinden ayrıldığı tüm yollar üst üste binerek yıkıcı girişime yol açar. Bu, her koro üyesinin kendi hızında şarkı söylemesine benzer. Şarkının kendisi silikleşir ve bireysel şarkıcıların gürültüsü arasında ayırt edilmesi imkansız hale gelir. Tüm olası konfigürasyon yolları arasında, hayatta kalan tek olası senaryo, tüm fotonların bağlı bir durumda bir arada kümelenmiş olarak kaldığı konfigürasyondur. İşte bu yüzden etkileşim, fotonların birbirine bağlı olmadığı diğer tüm olasılıkları bastırarak, bağlı bir durumun oluşumunu güçlendirebilir ve buna yol açabilir.
Araştırmacılar, bağlı durumların enerji ve momentum gibi iyi tanımlanmış niceliklerle tıpkı parçacıklar gibi davrandığını kesin olarak göstermek için, parçacıkların enerjisinin momentumla nasıl değiştiğini ölçmek üzere yeni teknikler geliştirdiler. Fotonlar arasındaki korelasyonların zaman ve uzayla nasıl değiştiğini analiz ederek, bağlı durumların parçacık benzeri doğasını doğrulayan “enerji-momentum dağılım ilişkisini” yeniden yapılandırabildiler.
Bağlı durumların varlığı kendi başına yeni değildi. Dinamiklerin çok daha az karmaşık olduğu “bütünleştirilebilir rejim” adı verilen bir rejimde, bağlı durumlar zaten on yıl önce tahmin edilmiş ve gözlemlenmişti. Ancak bütünleşebilirliğin ötesinde kaos hüküm sürer. Bu deneyden önce, bağlı durumların kaosun ortasında dağılacağı makul bir şekilde varsayılıyordu. Araştırmacılar bunu test etmek için basit halka geometrisini daha karmaşık, dişli şeklinde bir bağlı kübit ağına ayarlayarak bütünleşebilirliğin ötesine geçtiler. Bağlı durumların kaotik rejimde de devam ettiğini görünce şaşırdılar.
Google Quantum AI‘daki ekip, bu bağlı durumların beklenmedik esnekliklerini nereden aldığından hala emin değil, ancak bunun, sistemdeki uyumsuz enerji ölçeklerinin bir sistemin termal dengeye normalde olduğu kadar hızlı ulaşmasını engelleyebileceği “pretermalizasyon” adı verilen bir fenomenle ilgisi olabilir. Araştırmacılar bu sistemi incelemenin çok cisimli kuantum dinamikleri hakkında yeni bilgiler sağlayacağını ve kuantum işlemcileri kullanarak daha temel fizik keşiflerine ilham vereceğini öngörüyor.