Infinite temperature at zero energy
تقدم هذه الورقة بناءً لهاملتونيّات ثابتة، محلية هندسياً، ذات حالات أرضية متشابكة بقانون الحجم وخصائص درجة حرارة لانهائية عبر كامل طيفها، وذلك من خلال تكييف ساعة فاينمان-كيتايف مع شروط حدودية دورية لتعيين دوائر فلوكيت قابلة للحل بدقة تحقق فرضية التوازن الحراري للحالات المترافقة.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تخيل الكون كلعبة "البطاطا الساخنة" الكونية العملاقة. في عالم فيزياء الكم، تتعلق هذه اللعبة بكيفية انتشار الطاقة والمعلومات عبر مجموعة من الجسيمات. عادةً، عندما تصبح الأشياء ساخنة وفوضوية، تقوم الجسيمات ببعثرة معلوماتها بشكل شامل لدرجة أنها تبدو كفوضى عشوائية. يطلق الفيزيائيون على هذا اسم "التحول الحراري" (thermalization)، ويعني أنه إذا نظرت إلى جزء صغير من النظام، فسيظهر فوضوويًا وغير منظم تمامًا مثل النظام بأكمله. هذه هي حالة "درجة الحرارة اللانهائية": مكان حيث كل شيء مختلط لدرجة أنه لا يتبقى أي نمط محدد، وتتمدد الروابط بين الجسيمات (التي تسمى التشابك) عبر النظام بأكمله، مثل شبكة عملاقة.
لكن هنا تكمن المفاجأة: عندما تبرد الأشياء، كما هو الحال في الحالة الأرضية لمادة ما (مستوى طاقتها الأدنى)، عادة ما تتبع الطبيعة قواعد مختلفة. فبدلاً من الشبكة العملاقة الفوضوية، تتقلص الروابط عادة لتقتصر على الجيران المباشرين، مكونةً عُقداً صغيرة ومحكمة. يُعرف هذا باسم "قانون المساحة" (area law)، حيث يعتمد مقدار الاتصال فقط على سطح الجسم، وليس حجمه. ولعقود من الزمن، اعتقد العلماء أن الأنظمة الباردة في الحالة الأرضية لا يمكن أن تكون متشابكة بشكل جامح مثل الأنظمة الساخنة والفوضوية. كان يُعتقد أن هذا قانون أساسي في عالم الكم: البرودة تعني البساطة، والحرارة تعني التعقيد.
الآن، قام فيزيائيان، ماتيو إيبوليتي وديفيد لونج، ببناء آلة ذكية للغاية، تكاد تكون سحرية، تكسر هذه القاعدة. لم يكتفيا بإيجاد استثناء غريب، بل صمما عائلة كاملة من الأنظمة الكمومية حيث تكون الحالة الأرضية "الباردة" في الواقع فوضوية ومعقدة ومتشابكة تمامًا مثل الحالة الأكثر سخونة الممكنة. لقد فعلا ذلك عبر أخذ خدعة من الحوسبة الكمومية تسمى "ساعة فاينمان-كيتايف" (Feynman-Kitaev clock) وإعطائها لمسة خاصة. تخيل ساعة لا تكتفي بالتحرك للأمام فحسب، بل تدور في حلقة، بحيث يكون نهاية اليوم هي نفسها بدايته. من خلال إجبار النظام الكمومي على العمل في هذه الحلقة اللانهائية، تمكنا من حبس السلوك الفوضوي عالي الحرارة داخل الحالة الأرضية الهادئة.
ولإثبات أن هذا لم يكن مجرد تخمين محظوظ، استخدما نوعًا خاصًا من الدوائر الكمومية القائمة على ما يسمى "مسجل الإزاحة ذو التغذية الراجعة الخطية" (LFSR). فكر في الـ LFSR كنسخة رياضية منظمة للغاية من آلة القمار التي تولد أرقامًا تبدو عشوائية تمامًا، رغم أنها تتبع قواعد صارمة. ومن خلال تغذية هذه الآلة "التي تبدو عشوائية" في ساعتهم، أثبتا رياضيًا أن الحالة الأرضية الناتجة يجب أن تمتلك تشابكًا من نوع "قانون الحجم" (volume-law). وهذا يعني أنه إذا اقتطعت قطعة من النظام، فإن مقدار اتصالها بالعالم الخارجي ينمو مع حجم القطعة، وليس فقط مع سطحها.
الجزء الأكثر إثارة للدهشة هو أن هذا ليس مجرد محاكاة أو تخمين. فقد قدم المؤلفان برهانًا رياضيًا صارمًا على أن هذه الأنظمة موجودة، وأن حالاتها الأرضية هي بالفعل في أقصى درجات التشابك لكل جزء ممكن من النظام، وليس فقط للنظام ككل. لقد أظهرا أنه يمكنك امتلاك نظام ساكن وبارد تمامًا، ومع ذلك فهو في داخله يغلي بنفس طاقة الحرارة اللانهائية الفوضوية الموجودة في قدر من الحساء المغلي. إن هذا يتحدى أفكارنا القديمة عما يمكن أن تبدو عليه "الحالة الأرضية" ويفتح طرقًا جديدة للتفكير في كيفية سلوك المعلومات الكمومية عندما تُحبس في حلقة. الأمر يشبه العثور على بحيرة متجمدة، إذا استطعت النظر في أعماقها، ستكشف عن عاصفة فوضوية هائجة تحت الجليد.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.