علماء الفيزياء “يتشابكون” الجزيئات الفردية بدقة مذهلة: ScienceAlert

نظرًا لضخامة حجمها وصعوبة التعامل معها، فقد تحدت الجزيئات منذ فترة طويلة محاولات الفيزيائيين لإغرائها إلى حالة من التشابك الكمي المتحكم فيه، حيث ترتبط الجزيئات ارتباطًا وثيقًا حتى عن بعد.

الآن، ولأول مرة، نجح فريقان منفصلان في تشابك أزواج من الجزيئات شديدة البرودة باستخدام نفس الطريقة: “مصائد الملقط” الضوئية الدقيقة مجهريا.

التشابك الكمي هو ظاهرة غريبة ولكنها أساسية في عالم الكم الذي يحاول الفيزيائيون الاستفادة منه لإنشاء أول أجهزة كمبيوتر كمومية تجارية.

جميع الأجسام – من الإلكترونات إلى الذرات إلى الجزيئات وحتى المجرات بأكملها – يمكن وصفها نظريًا بأنها طيف من الاحتمالات قبل ملاحظتها. فقط من خلال قياس الخاصية تستقر عجلة الصدفة على وصف واضح.

إذا كان جسمان متشابكين، فإن معرفة شيء ما عن خصائص جسم واحد – دورانه أو موضعه أو زخمه – تعمل على الفور كقياس على الآخر، مما يؤدي إلى توقف كل من عجلات الدوران المحتملة الخاصة بهما تمامًا.

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

وقد تشابك الفيزيائيون أيضًا الذرة والجزيء من قبل، وحتى المجمعات البيولوجية وجدت في الخلايا النباتية. لكن السيطرة على أزواج من الجزيئات الفردية ومعالجتها – بدقة كافية لأغراض الحوسبة الكمومية – كانت مهمة أصعب.

يصعب تبريد الجزيئات وتتفاعل بسهولة مع محيطها، مما يعني أنها تسقط بسهولة من حالات التشابك الكمي الهشة (ما يُعرف باسم فك الترابط).

أحد الأمثلة على تلك التفاعلات هو تفاعلات ثنائي القطب ثنائي القطب: الطريقة التي يمكن بها سحب الطرف الموجب لجزيء قطبي نحو الطرف السالب لجزيء آخر.

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

“تشكل حالاتها الدورانية الجزيئية الطويلة الأمد كيوبتات قوية بينما يوفر التفاعل ثنائي القطب طويل المدى بين الجزيئات التشابك الكمي“،” يشرح عالم الفيزياء بجامعة هارفارد ييتشنغ باو وزملاؤه، في ورقتهم البحثية.

البتات الكمومية هي النسخة الكمومية من بتات الحوسبة الكلاسيكية، والتي يمكن أن تفترض قيمة 0 أو 1. ومن ناحية أخرى، يمكن أن تمثل البتات الكمومية العديد من المجموعات الممكنة 1 و 0 في نفس الوقت

من خلال تشابك الكيوبتات، يمكن للضبابية الكمومية مجتمعة المكونة من 1 و0 أن تعمل كآلات حاسبة سريعة في خوارزميات مصممة خصيصًا.

تتمتع الجزيئات، كونها كيانات أكثر تعقيدًا من الذرات أو الجسيمات، بخصائص أو حالات أكثر متأصلة، والتي يمكن دمجها في اقتران معًا لتكوين الكيوبت.

“ما يعنيه هذا، من الناحية العملية، هو أن هناك طرقًا جديدة لتخزين ومعالجة المعلومات الكمومية.” يقول يوكاي لو، طالب دراسات عليا في الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في جامعة برينستون، والذي شارك في تأليف الدراسة الثانية.

“على سبيل المثال، يمكن للجزيء أن يهتز ويدور في أوضاع متعددة. لذلك، يمكنك استخدام اثنين من هذه الأوضاع لتشفير الكيوبت. إذا كان النوع الجزيئي قطبيًا، فيمكن أن يتفاعل جزيئين حتى عندما يكونان منفصلين مكانيًا.”

أنتج 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، قريبة بما يكفي بحيث يمكن لجزيء CaF أن يشعر بالتفاعل الكهربائي ثنائي القطب طويل المدى لشريكه. أدى هذا إلى ربط كل زوج من الجزيئات في حالة كمومية متشابكة، قبل وقت قصير من أن تصبحا غريبتين.

هذه الطريقة، من خلال معالجتها الدقيقة للجزيئات الفردية، “تمهد الطريق لتطوير منصات جديدة متعددة الاستخدامات لتقنيات الكم”. يكتب أوغوستو سمرزي، عالم الفيزياء في المجلس الوطني للبحوث في إيطاليا، في منظور مصاحب.

ولم يشارك سمرزي في البحث، لكنه يرى إمكاناته. ومن خلال الاستفادة من التفاعلات ثنائية القطب للجزيئات، يقول إن النظام قد يُستخدم يومًا ما لتطوير أجهزة استشعار كمومية فائقة الحساسية قادرة على اكتشاف المجالات الكهربائية فائقة الضعف.

“تمتد التطبيقات من تخطيط كهربية الدماغ لقياس النشاط الكهربائي في الدماغ إلى مراقبة التغيرات في المجالات الكهربائية في القشرة الأرضية للتنبؤ بالزلازل”. يتكهن.

وقد تم نشر الدراستين في علوم, هنا و هنا.