Fizikçiler Bir Kuantum Rubik Küpü Tasarladılar ve Çözmenin En İyi Yolunu Buldular

Klasik) Rubik küpü, oyuncuların bir dizi olası permütasyondan birini ‘çözülmüş’ bir duruma yeniden düzenlemek için belirli eylemleri gerçekleştirmelerini gerektiren bir permütasyon bulmacası olarak bilinir.

Meşhur küp söz konusu olduğunda bu, küçük renkli blokların yaklaşık 43 kentilyon olası kombinasyonunun bir dizi kısıtlı hareketle altı, tutarlı renkli yüze sıralanması anlamına gelir.

Ancak bir kuantum Rubik küpü bu olasılık alanını sonsuza kadar genişletir. Tek gereken, çözücüye yeni bir kuantum eylemi vermektir - bir parçayı aynı anda hem hareket ettirildiği hem de hareket ettirilmediği bir kuantum süperpozisyonuna taşıma yeteneği.

Araştırmacılar makalelerinde, “Süperpozisyonlarla, oyuncak mağazalarındaki yaygın permütasyon bulmacalarının aksine, bulmacanın izin verilen benzersiz durumlarının sayısı sonsuzdur” diye yazıyor.

Ekip bu fikri permütasyon bulmacasının basit bir versiyonu üzerinde test etti: sadece mavi ve yeşil taşlardan oluşan iki boyutlu, 2×2'lik bir ızgara. Çözülmesi gereken durum, iki yeşil taşı iki mavi taşın üzerine yerleştirmekti.

Klasik haliyle bulmacanın, çözülen durum da dahil olmak üzere yalnızca altı olası permütasyonu vardır. Herhangi bir durum, dikey ve yatay karoların değiştirilmesi yoluyla başka herhangi bir duruma dönüştürülebilir - çapraz karoların değiştirilmesi, tüm bulmacanın döndürülmesi gibi yasaktır.

Bu temel bulmacaya, renkleri ‘parçacıklar’ olarak adlandırarak ve her bir karo aynı renkteki diğerinden ayırt edilemediği için bir anlamda dolaşık olduklarına işaret ederek kuantum bir tat verilebilir.

'Parçacıklar' kuantum bir dokunuşa sahip olsa da, pratikte bulmacanın kendisi hala klasik hamleler kullanılarak oynanmaktadır. İki farklı parçacık arasında süperpozisyonlara izin verildiğinde gerçek bir kuantum versiyonu ortaya çıkar.

Üç farklı türde simüle edilmiş oyuncu, 2.000 rastgele karıştırmadan bulmacayı çözmek için işe koyuldu. Klasik bir çözücünün tek hamlesi iki bitişik taşı değiştirmekti. Bir kuantum çözücü sadece kuantum süperpozisyonlarına çiftler girebilirdi. Birleşik çözücü ise her seferinde iki eylemden birini gerçekleştirebiliyordu.

Şaşırtıcı olmayan bir şekilde, birleşik çözücü en iyi performansı göstererek bulmacayı ortalama 4,77 hamlede çözdü. Kuantum çözücü ortalama 5,32 hamle ile bir sonraki sırada yer alırken, klasik çözücü ortalama 5,88 hamle ile son sırada yer aldı.

Yine de bu, klasik fizik dünyasının avantajları olmadığı anlamına gelmiyor. Klasik çözücü aslında kuantum çözücüden daha sık olarak beş hamleden daha az bir sürede çözüme ulaşabiliyor. Ancak, kuantum çözücünün neredeyse her zaman sekiz hamle veya daha kısa sürede bitirdiği yerde, genellikle iki kat daha uzun sürebildiği için ortalamasını aşıyor.

Ekip, kuantum avantajı olarak adlandırılan bu durumun daha karmaşık bulmacalarda daha belirgin hale gelmesi gerektiğini söylüyor.

Bir çözücü izin verilen hamleleri (klasik, kuantum ya da her ikisini birden) kullanarak permütasyonlar üzerinde çalıştıktan sonra çözüm bir ‘hakem’ aracılığıyla doğrulanıyor.

Eski Schrödinger'in kedisi düşünce deneyine aşinaysanız, ölçümün kendisinin süperpozisyonun rastgele durumlardan sadece birine dönüşmesine neden olduğunu hatırlayacaksınız. İdeal olarak, bu çözülmüş durum olacaktır, ancak değilse, bulmaca tekrar karıştırılır ve çözücü baştan başlamak zorunda kalır.

Klasik bir çözücü kuantum bulmacasını bu şekilde çözmeye başlayabilir. Son derece şanslı olmadıkça ve karıştırılan durum altı klasik olasılıktan biri olmadıkça (sonsuz kuantum seçeneğinden), onları çözüme mümkün olduğunca yaklaştıracak hamleler yapmak ve ölçümün süperpozisyonu çözülmüş duruma çökertmesini ummak zorunda kalacaklardır.

Kuantum çözücü ev sahibi avantajına sahip gibi görünse de, bir dezavantajı vardır - klasik bir değiştirme işlemi yapması için iki hamle gerekir. Klasik çözücünün bulmacanın bazı versiyonlarında erken bir başlangıç yapmasının nedeni budur, ancak birleşik çözücü neden her zaman liderliğe sahiptir.

Ekip ayrıca kuantum bulmacasının tam bir küp olmasa da 3 boyutlu bir versiyonunu oluşturmaya devam etti. Bu versiyon 2x2x1 karelerden oluşuyordu ve yine sonsuz olasılığa sahipti ve benzer eylemlerle çözülebiliyordu.

Pratikte, kuantum permütasyon bulmacaları potansiyel olarak optik kafeslerde asılı ultra soğuk atom dizileri kullanılarak inşa edilebilir. Ama çoğunlukla, matematik inekleri için bir düşünce deneyi.

Bu yazı SCIENCEALERT’ de yayınlanmıştır.