Selective Control and Imaging of Higgs and Goldstone Modes with a Quantum Simulator

في العالم الفيزيائي، تمتلك العديد من الأنظمة إمكانات خفية للتناظر تختار في النهاية عدم استخدامها. لننظر إلى المغناطيس مثلاً: قوانين الفيزياء تعامل جميع الاتجاهات بالتساوي، ومع ذلك يختار المغناطيس تلقائياً قطباً شمالياً وجنوبياً محدداً، كاسراً هذا التوازن المثالي. هذه الظاهرة، المعروفة باسم كسر التناظر التلقائي، هي مبدأ أساسي يفسر كل شيء بدءاً من كيفية عمل المغناطيسات وصولاً إلى سبب امتلاك الجسيمات لكتلة. عندما يكسر نظام ما هذا التناظر، فإنه لا يستقر في حالة جديدة فحسب؛ بل يؤدي أيضاً إلى ظهور تموجات، أو اهتزازات جماعية، تتحرك عبر المادة. وفي عالم الموائع الفائقة — وهي سوائل تتدفق دون احتكاك — تأتي هذه التموجات بنوعين متميزين. يتضمن النوع الأول تذبذب المائع ذهاباً وإياباً في الكثافة، مثل موجة تتحرك عبر بركة. أما النوع الآخر فيتضمن نبض المائع في القوة، حيث يتمدد وينكمش مثل رئة تتنفس، دون تغيير كثافته الإجمالية. النوع الأول هو موجة مفهومة جيداً، بينما النوع الثاني، وهو اهتزاز أكثر استعصاءً لقوة النظام ذاته، كان من الصعب جداً عزله ودراسته.

لقد نجح فريق من الباحثين الآن في عزل وتصور هذين الاهتزازين المتميزين في بيئة مختبرية محكومة، باستخدام محاكي كمي مبني من الدوائر فائقة التوصيل. ومن خلال إنشاء شبكة ثنائية الأبعاد من الذرات الاصطناعية، تمكنوا من إثارة ومراقبة سلوك هذه الأنماط بدقة مستحيلة في الأنظمة الطبيعية الأكبر حجماً. ركزت التجربة على حالة محددة من المادة حيث تترتب الذرات الاصطناعية في شبكة، مع وجود جسيم واحد بالضبط في كل موقع في المتوسط. في هذه الحالة، يتصرف النظام كمائع فائق. ووجد الباحثون أنه من خلال ضبط الروابط بين الذرات بعناية، يمكنهم جعل الشبكة بأكملها تنبض في القوة، مما يخلق اهتزاز "التنفس" المراوغ. وعلى العكس من ذلك، من خلال تطبيق نمط معين من الدفع والسحب المحلي، تمكنوا من توليد موجات الكثافة. والأهم من ذلك، اكتشفوا أنه في نظامهم الصغير المحدود، لا يتلاشى اهتزاز التنفس بسرعة؛ بل يظل إشارة حادة وواضحة لفترة طويلة، وهو سلوك يتناقض تماماً مع ما يحدث في العالم اللامتناهي في الحجم (الماكروسكوبي).

حقق الباحثون ذلك من خلال بناء شبكة من كيو بتات "الترانسمون" (transmon qubits)، وهي نوع من الدوائر فائقة التوصيل التي يمكن أن تعمل كذرة اصطناعية. لقد قاموا ببرمجة هذه الدوائر لمحاكاة نموذج "بوز-هوبارد" (Bose-Hubbard model)، وهو إطار نظري يصف كيفية تفاعل الجسيمات عندما تنتقل بين المواقع في شبكة. في إعدادهم هذا، كان بإمكانهم ضبط قوة التفاعل بين المواقع المتجاورة، وكذلك تكلفة الطاقة لوجود جسيم في موقع معين. عمل الفريق في نظام كانت فيه الشبكة مملوءة بجسيم واحد بالضبط لكل موقع في المتوسط، وهو شرط يسمح بظهور السيولة الفائقة. ولرؤية ما يحدث، لم يقيسوا "معلم الترتيب" (order parameter) المجرد الذي يستخدمه الفيزيائيون عادة لوصف الموائع الفائقة، بل نظروا مباشرة إلى عدد الجسيمات في كل موقع. ووجدوا أنه عندما يهتز النظام في نمط "التنفس"، فإن عدد المواقع التي تحتوي على جسيمين في آن واحد يرتفع وينخفض بالتزامن مع عدد المواقع الفارغة، بينما يظل إجمالي عدد الجسيمات ثابتاً. هذا التذبذب بين وجود جسيمين وعدم وجود أي جسيم، مع بقاء المتوسط كما هو، هو العلامة المميزة لنمط السعة (amplitude mode).

ولتحفيز هذا الاهتزاز المحدد، طبق الباحثون تعديلاً موحداً على الروابط بين جميع المواقع في وقت واحد. هذا الدفع والسحب العالمي على الروابط تسبب في تمدد وانكماش الهيكل الداخلي للشبكة بأكملها. وقد رصدوا التذبذب الناتج عن طريق قياس كسر المواقع التي تحتوي على جسيمين، وهو كمية يسمونها "كسر الدوبلون" (doublon fraction). أظهرت البيانات ارتفاعاً وانخفاضاً إيقاعياً واضحاً في هذا الكسر، مما أكد أن النظام يهتز في نمط السعة. وفي مجموعة منفصلة من التجارب، قاموا بإثارة نمط موجة الكثافة عن طريق تطبيق جهد متغير مكانياً، أي دفع الجسيمات في نمط يشبه الموجة عبر الشبكة. تسبب هذا في ارتفاع وانخفاض الكثافة المحلية للجسيمات مع تحرك الموجة عبر الشبكة. واستجاب النمطان لأنواع مختلفة من المدخلات ولم يتداخلا مع بعضهما البعض، مما أكد أنهما ظاهرتان فيزيائيتان متميزتان ولهما تناظر مختلف.

إن الاكتشاف الرئيسي لهذا العمل هو كيف يؤثر حجم النظام على عمر هذه الاهتزازات. في نظام نظري لانهائي الحجم، من المتوقع أن يتلاشى نمط "التنفس" بسرعة؛ حيث يقوم بذلك عن طريق التفكك إلى أزواج من موجات الكثافة ذات الطاقة المنخفضة، وهي عملية تؤدي إلى تشويش الإشارة وتجعل من الصعب ملاحظتها. ومع ذلك، في نظامهم "الميزوسكوبي" (mesoscopic)، الذي تألف من شبكات تتراوح أحجامها من 4×4 إلى 7×7 مواقع، كان مسار التحلل هذا مسدوداً. نظرًا لأن النظام كان محدوداً، لم تكن حالات الطاقة المنخفضة الممكنة تياراً مستمراً، بل كانت مجموعة منفصلة من الخطوات. هذا الانفصال منع نمط التنفس من التفكك بسهولة، مما سمح له بالاستمرار كإثارة متماسكة وطويلة الأمد. وقد لاحظ الباحثون ذلك من خلال رفع شدة الروابط بين المواقع ومراقبة تطور النظام بمرور الوقت؛ حيث رأوا كسر الدوبلون يتذبذب لمئات النانو ثانية، وهي مدة مستحيلة في نظام أكبر حيث كانت الإشارة ستتلاشى فوراً تقريباً.

قام الفريق أيضاً برسم خريطة لكيفية تغير هذه الاهتزازات مع انتقال النظام من حالة تكون فيها الجسيمات عالقة في مكانها إلى حالة السيولة الفائقة. فقد قاموا بتغيير قوة الانتقال بين المواقع وقاسوا تردد الاهتزازات. ووجدوا أن تردد نمط التنفس يصل إلى أدنى مستوياته عند نقطة محددة، والتي تتوافق مع الانتقال بين الطور العازل وطور السيولة الفائقة. أما نمط موجة الكثافة، فقد أظهر سلوكاً مختلفاً، حيث انخفض تردده مع زيادة سيولة النظام. ومن خلال مقارنة نتائجهم التجريبية مع المحاكاة العددية، أكدوا أن ملاحظاتهم تطابق التوقعات النظرية لهذه الأنظمة محدودة الحجم. وأظهرت عمليات المحاكاة أنه مع زيادة حجم النظام، تبدأ القمم المنفصلة لنمط التنفس في الاندماج، لتشكل في النهاية الميزة العريضة وغير الواضحة المتوقعة في الحد الديناميكي الحراري.

يُظهر هذا العمل أن المحاكيات الكمية المحدودة يمكن أن تعمل كأدوات قوية لاستقصاء الظواهر الفيزيائية التي غالباً ما تُحجب في الحدود واسعة النطاق. فمن خلال العمل على نظام صغير بما يكفي للتحكم به، وكبير بما يكفي لإظهار السلوك الجماعي، تمكن الباحثون من عزل نمط السعة الشبيه بـ "هيغز" (Higgs-like amplitude mode) ومراقبته بوضوح. لقد أثبتوا أن الحجم المحدود للنظام، الذي يُعتبر غالباً عائقاً في التجارب، يوفر في الواقع ميزة فريدة هنا من خلال خلق فجوات طيفية تحمي الإثارة من التحلل. إن القدرة على إثارة هذه الأنماط وكشفها بشكل انتقائي دون الحاجة إلى قياس "معلم الترتيب" المجرد مباشرة تفتح آفاقاً جديدة لدراسة ديناميكيات كسر التناظر. توفر النتائج صورة تجريبية واضحة لكيفية سلوك الإثارات الجماعية في بيئة محكومة، مما يسد الفجوة بين ميكانيكا الكم المجهرية والقوانين الفيزيائية الماكروسكوبية.