يقوم الفيزيائيون “باحتجاز” الجزيئات الفردية بدقة مذهلة: تنبيه العلوم

نظرًا لضخامة حجمها وصعوبة التعامل معها، فقد تحدت الجزيئات منذ فترة طويلة محاولات الفيزيائيين لإقناعها بالدخول في حالة من التشابك الكمي المقيد، حيث تكون الجزيئات مرتبطة بإحكام حتى على مسافة بعيدة.

الآن، ولأول مرة، نجحت مجموعتان منفصلتان في محاصرة أزواج من الجزيئات شديدة البرودة باستخدام نفس الطريقة: “مصائد الملقط” الضوئية الدقيقة مجهريا.

يعد التشابك الكمي ظاهرة غريبة وأساسية في عالم الكم، حيث يحاول الفيزيائيون بناء أول أجهزة كمبيوتر كمومية تجارية.

كل المادة – من الإلكترونات إلى الذرات، والجزيئات، والمجرات بأكملها – يمكن وصفها نظريًا بأنها طيف من الاحتمالات قبل ملاحظتها. فقط من خلال قياس الأصل يمكن أن تستقر عجلة الفرصة في وصف واضح.

عندما يتشابك جسمان، فإن خاصية أحدهما – دورانه أو موضعه أو زخمه – تعمل على الفور كمقياس للآخر، مما يؤدي إلى إيقاف احتمالات دورانهما تمامًا.

حتى الآن، تمكن الباحثون من احتجاز الأيونات المتشابكة والفوتونات والذرات والدوائر فائقة التوصيل في التجارب المعملية. على سبيل المثال، قبل ثلاث سنوات، قام فريق بحبس تريليونات من الذرات في غاز “ساخن وفوضوي”. مثيرة للإعجاب، ولكنها ليست عملية للغاية.

الفيزيائيون أيضًا في معضلة ذرة وجزيء قبل، وأيضا المجمعات البيولوجية وجدت في الخلايا النباتية. لكن التحكم في أزواج الجزيئات الفردية ومعالجتها – بدقة كافية لأغراض الحوسبة الكمومية – يظل مهمة شاقة.

من الصعب على الجزيئات أن تبرد وتتفاعل بسهولة مع محيطها، مما يعني أنها تتحرر بسهولة من حالات التشابك الكمي الهشة (وتسمى اضطراب)

مثال على تلك التفاعلات تفاعلات ثنائي القطب ثنائي القطب: يمكن تحريك الطرف الموجب لجزيء قطبي نحو الطرف السالب لجزيء آخر.

لكن نفس الخصائص تجعل الجزيئات مرشحة واعدة للبتات الكمومية في الحوسبة الكمومية لأنها توفر إمكانيات جديدة للحساب.

“إن حالات الدوران الجزيئي طويلة الأمد تخلق كيوبتات قوية، بينما توفر تفاعلات ثنائية القطب طويلة المدى بين الجزيئات. التشابك الكمي“،” يشرح عالم الفيزياء بجامعة هارفارد ييتشنغ باو وزملاؤه، في ورقتهم البحثية.

البتات الكمومية هي نسخة كمومية من البتات الحاسوبية الكلاسيكية التي يمكن أن تأخذ القيمة 0 أو 1. من ناحية أخرى يمكن ذكر Qubits العديد من المجموعات الممكنة 1 و 0 في نفس الوقت

ومن خلال تشابك الكيوبتات، يمكن أن تعمل وحدات التعتيم الكمي المتكاملة 1 و0 كآلات حاسبة سريعة في خوارزميات مصممة خصيصًا.

الجزيئات، كونها كيانات أكثر تعقيدًا من الذرات أو الجسيمات، لها خصائص أو حالات جوهرية أكثر يمكن دمجها معًا لتكوين الكيوبت.

“وهذا يعني أنه من الناحية العملية، هناك طرق جديدة لتخزين ومعالجة المعلومات الكمومية.” هو يقول وشارك يوكاي لو، وهو طالب دراسات عليا في الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في جامعة برينستون، في تأليف الدراسة الثانية.

“على سبيل المثال، يهتز الجزيء ويدور في عدة أوضاع. لذلك، يمكنك استخدام هذين الوضعين لتشفير الكيوبت. إذا كان النوع الجزيئي قطبيًا، فيمكن أن يتفاعل جزيئين حتى لو كانا منفصلين بمسافة.”

أنشأ كلا الفريقين جزيئات أحادية فلوريد الكالسيوم (CaF) شديدة البرودة ثم حبسوها واحدة تلو الأخرى في ملاقط بصرية.

باستخدام هذه الحزم المركزة بإحكام من ضوء الليزر، تم وضع الجزيئات في أزواج، مع جزيء واحد من CaF قريب بما يكفي لاستشعار تفاعلات ثنائي القطب الكهربائي طويلة المدى لشريكه. أدى هذا إلى تشابك كل زوج من الجزيئات في حالة كمومية معقدة عندما كانا غريبين.

هذه الطريقة، إلى جانب المعالجة الدقيقة للجزيئات الفردية، “تمهد الطريق لمنصات جديدة متعددة الاستخدامات لتقنيات الكم”. يكتب أوغوستو سميرزي، عالم الفيزياء في المجلس الوطني للبحوث في إيطاليا، من منظور ذي صلة.

ولم يشارك سمرزي في البحث، لكنه يرى إمكاناته. ومن خلال تعزيز التفاعلات ثنائية القطب بين الجزيئات، يمكن استخدام النظام يومًا ما لإنشاء مستشعرات كمومية فائقة الحساسية قادرة على اكتشاف المجالات الكهربائية فائقة الضعف، كما يقول.

وقال “تتراوح التطبيقات من تخطيط كهربية الدماغ إلى قياس النشاط الكهربائي للدماغ إلى مراقبة التغيرات في المجالات الكهربائية في القشرة الأرضية إلى التنبؤ بالزلازل”. يتكهن.

تم نشر دراستين علوم, هنا و هنا.