Kuantum fizikçileri bir asırlık dönüş kontrolünün izini sürüyor

Kuantum mekaniği alanından bir kavram olan spin, parçacıkların günlük deneyimlerde doğrudan karşılığı olmayan bir özelliğidir. 20. yüzyılın başlarından bu yana araştırmacılar, hassas biçimde şekillendirilmiş elektromanyetik darbeler aracılığıyla onu bilinçli olarak manipüle etmeyi öğrendiler. Bunun sonucunda günümüzde yaygın olan iki teknoloji ortaya çıkmıştır: Hastanelerde manyetik rezonans görüntüleme (MRI) yaygındır ve proteinlerin yapılarını belirlemek ve yeni ilaçlar geliştirmek için nükleer manyetik rezonans spektroskopisi (NMR) kullanılmaktadır. Optimum kontrol teorisinin matematiksel çerçevesi bu teknolojileri geliştirmek için kullanılabilir.

Freie Universität Berlin’de teorik fizik profesörü Christiane Koch, “Cevapladığı soru pratik bir sorudur” diye açıklıyor. “Bir kuantum sistemi ve ona uygulayabileceğim alanlar göz önüne alındığında, istediğim duruma olabildiğince hızlı, güvenilir ve doğru bir şekilde nasıl ulaşabilirim ve prensipte bu ne kadar iyi yapılabilir?”

Kazanımlar dikkate değerdir: Bu şekilde tasarlanan darbeler, nükleer dönüşleri daha önce kullanılan geleneksel darbelerden yaklaşık 10 kat daha hızlı tersine çevirir ve manyetik rezonans görüntülemede, gerçek bir tarayıcının kısıtlamalarının doğrudan deneyin tasarımına dahil edilmesini mümkün kılar.

Çalışma dergide yayınlandı Bilim Gelişmeleri.

Nükleer dönüşlerden moleküllere ve atomlara

İnceleme makalesi, aynı yöntemlerin artık manyetik rezonansın çok ötesine geçtiğini gösteriyor; Moleküller bile özel elektromanyetik darbeler kullanılarak hassas bir şekilde kontrol edilebilir. Bu, özellikle sol ve sağ elli formlarda ortaya çıkan ve biyolojik etkileri bakımından önemli ölçüde farklılık gösterebilen kiral moleküller için ilginçtir. Mikrodalga darbelerinin özel dizileri, iki formdan birini seçilmiş bir kuantum durumuna aktarırken diğerini etkilenmeden bırakabilir; bu, onları ayırmak için bir ön koşuldur.

İlgili yöntemler, tek tek atomları çok çeşitli olası durumlar boyunca yönlendirmek için kullanılmıştır. Örneğin, deneylerde belirli atom durumlarının hazırlanmasını önemli ölçüde iyileştirmek için optimal kontrolden elde edilen yöntemler kullanılabilir ve ayrıca atomun aynı anda çok farklı birkaç konfigürasyonu işgal ettiği bir kuantum durumu olan klasik olmayan süperpozisyon elde etmek de mümkün olmuştur. Bundan önce bu amaca yönelik hiçbir protokol mevcut değildi.

Koch, “Halihazırda çalışan bir protokolü geliştirmek faydalıdır” diyor. “Daha ilginç olan durum ise daha önce kimsenin hazırlanamadığı bir durumdur.”

Optimum kontrol ve makine öğrenimi; mükemmel bir eşleşme mi?

Araştırmacılar ayrıca bu yaklaşımın sınırlamalarına da dikkat çekiyor: Optimum kontrol, ilgili kuantum sisteminin doğru bir modelini ve iyi kalibre edilmiş bir deneyi gerektirir. İleriye baktığımızda yazarlar, en umut verici yön olarak optimum kontrolün makine öğrenimi ile birleşimini görüyorlar. Kontrol yöntemleri hassas fiziksel modeller ve hızlı yakınsama kullanırken, makine öğrenimi deneysel verilerden kompakt açıklamalar çıkarabilir.

Ancak kuantum fiziğinde çok daha az veri mevcuttur. Koch, “Kuantum ölçümleri nadir ve pahalıdır” diyor. “Kuantum fiziği büyük veri değildir. Bu nedenle biri diğerinin yerine geçmek yerine iki yaklaşımın birleştirilmesi gerekiyor.”

İnceleme makalesi Münih Teknik Üniversitesi, Aarhus Üniversitesi, Bourgogne Üniversitesi ve Dortmund Üniversitesi’nden araştırmacıların işbirliğiyle yazılmıştır. Özel bir baskısında ortaya çıktı Bilim Gelişmeleri gelecek 100 yıllık spin’e adanmıştır.