Döndürme camları, parçacıkların küçük manyetik momentlerinin (yani dönüşlerin) birbirleriyle rastgele bir şekilde etkileşime girdiği fiziksel sistemlerdir. Dönüşler arasındaki bu rastgele etkileşimler, tüm dönüşlerin tercih edilen hizalamalarını karşılamasını imkansız hale getirir; ‘hayal kırıklığı’ olarak bilinen bir durum.”
Stanford Üniversitesi’ndeki araştırmacılar yakın zamanda yeni bir tür döndürme camı, yani bir boşluk kuantum elektrodinamiği (QED) deney düzeneğinde tahrikli enerji tüketen Ising döndürme camını fark ettiler. Makaleleri şu tarihte yayınlandı: Fiziksel İnceleme Mektuplarıboşluklu QED’li döner camlar oluşturmaya odaklanan on yıldan fazla süren çalışmaların sonucudur.
“Döndürme gözlükleri, karmaşık sistemler ve özellikle sinir ağları için genel bir modeldir; döndürmeler, karşılıklı olarak sinir bozucu etkileşimlerle birbirine bağlanan nöronlar olarak hizmet eder.” Makalenin kıdemli yazarı Benjamin Lev CEİD’a söyledi.
“Klasik spinleri atomik spinlerle değiştirerek ve bunların fotonlar aracılığıyla etkileşime girmesine izin vererek ne tür gözlükler ve nöromorfik hesaplama cihazları yapılabileceğini uzun zamandır merak ediyorduk. Kuantum optik ve dolaşıklık etkileri bu tür cihazları nasıl geliştirebilir? Bu konudaki girişimimiz 2010 yılında teorisyenler Paul Goldbart ve Sarang Gopalakrishnan (şu anda sırasıyla Stony Brook ve Princeton’da) ile birlikte yazılan bir teori makalesiyle başladı.”
Umut verici bir kavite QED kurulumu
Lev ve meslektaşları daha önceki teorik çalışmalarını yürütürken, çoklu frekans dejenere modlarıyla karakterize edilen yeni ve ümit verici bir boşluklu QED düzeni tanımlamışlardı. Çok modlu kavite QED olarak adlandırılan bu kurulumun, “kabloları bağlamak” atom bazlı dönüşler o kadar fazladır ki, camsı bir duruma yönelmelerini engeller.
“Yeni tip kavite QED, kanonik bir nöromorfik yetenek olan ilişkisel hafızayı gerçekleştirmek için kullanılabilir.” dedi Lev.
“Bu farkındalığın kısa bir süre sonra, Jonathan Keeling ile yaptığımız görüşmelerde, eş odaklı boşluk adı verilen özel bir ‘çok modlu dejenere’ boşluk geometrisinin döner camı uygulanabilir hale getirebileceğini bulduk.” Lev’i açıkladı. “Bu arada deneyi oluşturmaya başladık ve 2015’ten itibaren bir dizi makalede çok modlu boşluklu QED’nin pratikte nasıl çalıştığını öğrenmek için gereken adımların her birini karşılaştırdık.”
Birkaç yıl süren araştırmalardan sonra araştırmacılar, önerilen çok modlu kavite QED sisteminde kavite fotonlarından yararlanarak döner camdaki spin etkileşimlerine aracılık etmeyi başardılar. Bu, kuantum optik düzenekte ilk döner camın gerçekleştirilmesine yol açtı.
“Kopya simetri kırılmasının doğrudan deneysel gözlemini ve mikroskobik dönüş ölçümlerinden hepsi bir arada bağlantılı döner camların ortaya çıkan ultrametrik yapısını ilk rapor eden bizdik.” dedi Lev. “Ancak bunu, döner camın garip bir biçimini kullanarak başardık; XY dönüşlerinin XX-YY gibi etkileşime girmesi. Sinir ağları literatürüne daha doğrudan bağlantı kurmak için bunun yerine kanonik formda, yani Ising-etkileşimli spinlere sahip bir döner cam oluşturmak istedik.”
Özellikle, ekibin önceki deneylerinde kullandığı basit eş odaklı boşluk, bu yeni tip Ising döner camını gerçekleştirmek için gerekli olan foton aracılı etkileşimleri tasarlamalarına izin vermiyordu. Alternatif, egzotik çok modlu bir boşluk geliştirmek için St. Andrews Üniversitesi’nde denetlediği lisans öğrencisi Keeling ve Rhiannon Lunney ile işbirliği yaptılar.
“2019’da yayınlanan bir makalede, iki aynayla oluşturulan çok modlu boşluklar için bir sınıflandırma bulduk.” dedi Lev. “Bu bize, foton aracılı Ising etkileşimlerinin, ‘4/7’ boşluğu adını verdiğimiz çok modlu bir boşluk konfigürasyonu (rezonatörü oluşturan belirli mod yapısı için) kullanılarak tasarlanabileceğini göstermemize olanak sağladı. Birkaç yıl sonra, eski öğrencim Brendan Marsh liderliğindeki ekibim aynaları bu konfigürasyona ayarladı ve daha önce bahsedilen Ising döner camını gerçekleştirmeyi başardı. PRL.”
Yeni bir Ising spin camının gerçekleştirilmesi
Araştırmacılar, tanıttıkları yeni çok modlu boşluk düzeniyle, daha önceki çalışmalarında rapor edilen kuantum optik döner camdan üç kat daha büyük, daha basit (yani Ising) bir döner cam gerçekleştirmeyi başardılar. Ayrıca bu sistemde replika simetri kırılmasının ve ultrametrikliğin varlığını mikroskobik düzeyde de ortaya koymuşlardır.
“Ayrıca, döner camın boyutunu n = 8 boyutundan üç katına çıkardık. Bilim kağıttan n = 25’e,” dedi Lev. “N = 8 sisteminin güdümlü enerji tüketen kuantum optik dinamiklerini sayısal olarak simüle etmek zaten mümkün değildi. Bununla birlikte, n = 25, kesin simülasyonu olasılık alanından çok daha fazla uzaklaştırır ve deneysel sistemi, kendisi için henüz bir teori bulunmayan, doğası gereği denge dışı camsı sistemlerin dinamiklerini keşfetmek için benzersiz bir platform haline getirir.”
Araştırmacılar tarafından gerçekleştirilen Ising döner camı, hem araştırma çalışmaları yürütmek hem de beyinden ilham alan yeni donanım bileşenleri geliştirmek için umut verici bir platform olabilir. Son zamanlarda araştırmacılar, daha önce camsı sistemler kullanılarak imkansız olduğu düşünülen çağrışımsal hafızayı oluşturmak için döner camlarını başarıyla kullandılar.
“Bu, Marsh liderliğindeki daha önceki teori çalışmalarımızda tahmin edilmişti ve döner camımızın, atomlardan ve fotonlardan oluşması nedeniyle klasik Hopfield modelinin hafıza kapasitesinden daha iyi performans gösterebileceğini gösterdik.” dedi Lev. “Ama aynı zamanda – deneysel bir sürprizle – kuantum optik Ising döner camımızın, sinir bilimcilerin beynimizde meydana gelebileceğini öne sürdüğüne benzer bir tür kısa vadeli öğrenme esnekliğini mümkün kıldığını da bulduk.”
Araştırmacıların gerçekleştirdiği Ising spin camında atomlar, çok modlu boşluğun içindeki ışık sayesinde birbirlerine güçlü bir şekilde bağlanıyor ve bu ışık sayesinde hareket ettirilebiliyor. Bu atomların değişen konumları, boşluktan depolanan bilgiyi temsil eden ışık desenlerinin, atomların hareket edemediği duruma göre çok daha yüksek bir doğrulukla yayılmasını sağlar.
“Çok modlu bir boşluk, iki ayna arasında sıçrayan binlerce farklı fotonun uzaysal desenini destekler.” Lev’i açıkladı. “Normal boşluklar yalnızca birini destekler ve bu genellikle boşluk eksenine enine fotonlar için bir Gauss dalga paketine benzer. Çok modlu bir boşlukta, bu uzaysal desenler fotonlar için çok daha sıkı bir şekilde lokalize edilmiş bir dalga paketi oluşturmak üzere üst üste gelir; oysa Gaussian, foton için onlarca mikron genişliğinde olabilir, çok modlu bir boşluk, iki mikrondan daha az genişliğe sahip modları destekler.”
Spin etkileşimlerini başlatmak için ideal bir platform
Takımın kurulumuyla gerçekleştirilebilecek yerel mod, “sentetik” veya “süper mod,” boşluğun içinde sıkışıp kalan Bose Einstein yoğunlaşmalarını (BEC’ler) kolektif bir yukarı veya aşağı dönüş parçacığı gibi davranmaya yönlendirebilir. Ekip, bu süper moddan yararlanarak istenen dönüşleri gerçekleştirmeyi başardı.
“Mikroskobik olarak ‘dönme’, BEC’deki atomların, boşluğun yanından gelen ışık üzerlerine gösterildiğinde oluşturduğu yoğunluk dalgasının iki dama tahtası durumundan (siyah veya kırmızı) yalnızca biridir.” Lev’i açıklıyor.
Ising dönüşlerini fark ettikten sonra araştırmacılar, “onları kablolayın,” birbirleriyle etkileşime girmelerini teşvik eder. Geliştirdikleri çok modlu boşluk, bu dönüş etkileşimlerini başlatmak için idealdir.
“Bu etkileşimler doğal olarak çok modlu bir boşlukta meydana gelir, çünkü süper modların dar nokta bileşenine ek olarak modlar, tüm dönüşleri aynı anda aydınlatmak için boşluğun her iki gidiş-dönüş yolculuğuna da yayılır.” dedi Lev.
“Her dönüşte bu ışığın fazına bağlı olarak, dönüşler diğer tüm dönüşlerle hizalanmaya veya hizalanmamaya zorlanır. BEC’ler boşluk merkezinden uzağa yerleştirilirse bu aşama rastgele olabilir; bu, her dönüşün rastgele işaretli bir ağırlıkla (rastgele ışık fazları nedeniyle) diğer tüm dönüşlere bağlandığı bir dönüş bağlantısı ağı sağlar.”
Takımın boşluklu QED kurulumunda ortaya çıkan rastgele dönüş etkileşimleri, sonuçta dönüş durumlarının geometrik olarak bozulmasına neden olarak bir cam meydana getiriyor. Sistemi aydınlatan ışık daha sonra boşluktan dışarı sızıyor ve hologram oluşturmak için kullanılan stratejinin aynısı kullanılarak bir görüntü oluşturmak için kullanılabiliyor.
“Her BEC’den yayılan süper mod noktalarının fazı bize o BEC’nin ‘dönme’ durumunu anlatır,” dedi Lev. “Bu, bir cam şeklinde organize edilen tüm ağın dönüş konfigürasyonunu okuyabileceğimiz anlamına gelir.”
Bilgilendirici araştırma ve nöromorfik donanım geliştirme
Ekibin boşluklu bir QED sistemindeki camsı bir sistemin dönüş konfigürasyonunu okuma yeteneği, daha önce hiç bildirilmediği için dikkat çekicidir.
“Buradaki en önemli atılımlar, son birkaç yılda yarattığımız bu yeni çok modlu boşluklu QED ve BEC cihazının iki yönüdür; aktif bir kuantum gaz mikroskobu.” Lev’i açıkladı. “Bu, geleneksel kuantum gaz mikroskoplarına benzer; yüksek NA optikleri (bizim durumumuzda bunlar mercekler yerine aynalardır), kuantum atomik gazların etkileşime girdikleri uzunluk ölçeğinde görüntülenmesine izin verir, ancak aynı zamanda boşluk aynaları, sistem organizasyonunu yönlendiren etkileşimleri düzenlemek için fotonları atomlara geri yansıtır. Bu anlamda aktif.”
Camlar genellikle denge durumunda değildirler çünkü yarı kararlı konfigürasyonlarda (yani, uzun süre kararlı kalabilen ancak bir sistemin en düşük enerji durumları olmayan durumlar) sıkışıp kalabilirler. Araştırmacılar tarafından geliştirilen boşluklu QED düzeni, fotonlar tarafından yönlendirilen ve fotonları çevreye dağıtan, böylece denge durumundan daha da uzaklaşan camların gerçekleştirilmesine olanak tanıyor.
Lev ve meslektaşları tarafından tanıtılan yeni deneysel platform, yakında dönen camlarla ilgili çalışmaları ilerletebilir ve potansiyel olarak onların temel fiziğine ve nasıl oluştuklarına yeni bir ışık tutabilir. Buna ek olarak araştırmacılar, beyinden ilham alan teknolojilerin geliştirilmesi için makalelerinde tanıtılan tahrikli enerji tüketen Ising döner camının potansiyelini keşfetmeyi planlıyorlar.
“Daha önce teorik olarak bile keşfedilmemiş yepyeni bir döner cam biçimini ortaya çıkardık.” Lev’i ekledi. “Çalışmamız artık nöromorfik hesaplamaya yönelik benzersiz özellikleri ve yetenekleri hakkında sorular sormamıza olanak tanıyor. Ayrıca, kuantum dolaşmış bir döner cam yaratıp keşfedebilmek için dönüşlerin daha kuantum mekaniksel olarak davranmasını sağlamaya doğru ilerliyoruz.”
Yazarımız Ingrid Fadelli tarafından sizin için yazılan, editörlüğü Stephanie Baum tarafından yapılan ve Robert Egan tarafından doğruluğu kontrol edilen ve gözden geçirilen bu makale, insanların dikkatli çalışmasının sonucudur. Bağımsız bilim gazeteciliğini canlı tutmak için sizin gibi okuyuculara güveniyoruz. Bu raporlama sizin için önemliyse lütfen bağış yapmayı düşünün (özellikle aylık). Bir alacaksın reklamsız bir teşekkür olarak hesaplayın.
