يخلق الفيزيائيون حالة جديدة من المادة من حساء كمي من جسيمات غريبة مغناطيسيًا

يخلق الفيزيائيون حالة جديدة من المادة من حساء كمي من جسيمات غريبة مغناطيسيًا

بالعربي/ يمكن استخدام المرحلة الجديدة للمادة لتصميم حواسيب كمومية أفضل.

اكتشف العلماء حالة من المادة مفترضة منذ فترة طويلة لم يسبق لها مثيل في المختبر لأول مرة.

من خلال إطلاق الليزر على شبكة شديدة البرودة من ذرات الروبيديوم ، قام العلماء بدفع الذرات إلى حساء فوضوي من عدم اليقين الكمومي المعروف باسم سائل الدوران الكمومي. 

سرعان ما أصبحت الذرات في هذا الحساء المغناطيسي الكمومي متصلة ، وربطت حالاتها عبر المادة بأكملها في عملية تسمى التشابك الكمومي . هذا يعني أن أي تغيير في ذرة واحدة يؤدي إلى تغييرات فورية في جميع العناصر الأخرى في المادة ؛ قال الباحثون في ورقة بحثية تصف النتائج التي توصلوا إليها في 3 ديسمبر في مجلة العلوم ، أن هذا الاختراق يمكن أن يمهد الطريق لتطوير حواسيب كمومية أفضل .

قال المؤلف الكبير ميخائيل لوكين ، أستاذ الفيزياء بجامعة هارفارد والمدير المشارك لمبادرة هارفارد الكمومية ، في بيان: “إنها لحظة خاصة جدًا في هذا المجال” . “يمكنك حقًا لمس هذه الحالة الغريبة وكزها وحثها والتلاعب بها لفهم خصائصها. إنها حالة جديدة من المادة لم يتمكن الناس من ملاحظتها أبدًا.”

وضع الفيزيائي فيليب أندرسون نظريًا لأول مرة في عام 1973 ، تظهر السوائل الكمومية المغزلية عندما يتم إقناع المواد بعصيان القواعد المعتادة التي تحكم سلوكها المغناطيسي. 

تمتلك الإلكترونات خاصية تسمى الدوران ، وهو نوع من الزخم الزاوي الكمومي ، والذي يمكن أن يشير إما لأعلى أو لأسفل. في المغناطيسات العادية (مثل تلك التي يضعها الأشخاص في الثلاجة) ، تقوم دورات الإلكترونات المجاورة بتوجيه نفسها حتى تشير جميعها في نفس الاتجاه ، مما يؤدي إلى توليد مجال مغناطيسي . في المواد غير المغناطيسية ، يمكن أن ينقلب دوران إلكترونين متجاورين لمعارضة بعضهما البعض. لكن في كلتا الحالتين ، تشكل الأقطاب المغناطيسية الدقيقة نمطًا منتظمًا.

لكن في السوائل الكمومية المغزلية ، ترفض الإلكترونات الاختيار. بدلاً من الجلوس بجانب بعضها البعض ، يتم ترتيب الإلكترونات في شبكة مثلثة الشكل ، بحيث يكون لأي إلكترون جيران مباشرون. يمكن لإلكترونين محاذاة دورانهما ، لكن سيكون الإلكترون الثالث دائمًا غريبًا ، مما يؤدي إلى تدمير التوازن الدقيق وخلق مزيج متحول باستمرار من الإلكترونات المهتاجة. 

هذه الحالة المختلطة هي ما يسميه الباحثون المغناطيس “المحبط”. نظرًا لأن حالات السبين لم تعد تعرف الاتجاه الذي يجب أن تشير إليه ، يتم بدلاً من ذلك إلقاء الإلكترونات وذراتها في مجموعة غريبة من الحالات الكمومية تسمى التراكب الكمومي. توجد الآن الدورات المتقلبة باستمرار في نفس الوقت حيث تدور كلتا الحالتين لأعلى ولأسفل ، ويؤدي التبديل المستمر إلى تشابك الذرات على طول الطريق عبر المادة مع بعضها البعض في حالة كمومية معقدة.

لم يتمكن الباحثون من دراسة السائل الكمي المغزلي بشكل مباشر ، لذلك قاموا بإنشاء نسخة شبه مثالية في نظام تجريبي آخر. قاموا بتبريد مجموعة من 219 ذرة روبيديوم محاصرة – والتي يمكن استخدامها لتصميم ومحاكاة العمليات الكمية المختلفة بدقة – إلى درجات حرارة تقارب 10 ميكرو كلفن (قريبة من الصفر المطلق أو ناقص – 273.15 درجة مئوية درجة مئوية). 

من حين لآخر يكون أحد الإلكترونات في الذرة في مستوى طاقة أعلى بكثير من الآخرين ، مما يضع الذرة في ما يعرف باسم حالة ريدبيرج. كما هو الحال مع حالات الدوران ، فإن القواعد المخيفة لميكانيكا الكم تضمن أن الذرة لا تريد أن تكون في حالة ريدبيرج إذا كانت جارتها كذلك. من خلال إطلاق الليزر على ذرات معينة داخل المصفوفة ، قام الباحثون بتقليد لعبة شد الحبل ثلاثية الاتجاهات التي شوهدت في سائل الدوران الكمي التقليدي. 

بعد إنشاء حساء ريدبيرج الكمومي ، أجرى الباحثون اختبارات على المصفوفة وأكدوا أن ذراتها قد أصبحت متشابكة عبر المادة بأكملها. لقد صنعوا سائلًا كموميًا مغزليًا.

ثم حوّل العلماء انتباههم إلى إثبات اختبار المفهوم لتطبيقه المحتمل: تصميم الكيوبتات ، أو البتات الكمومية ، للحاسوب الكمومي. بينما تستخدم أجهزة الكمبيوتر العادية البتات ، أو 0 و 1 لتشكيل أساس جميع الحسابات ، تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية الكيوبتات ، والتي يمكن أن توجد في أكثر من حالة واحدة في وقت واحد. Qubits ، مع ذلك ، هشة بشكل لا يصدق. يمكن لأي تفاعل مع العالم الخارجي تدمير المعلومات التي يحملونها بسهولة. 

ومع ذلك ، فإن الطبيعة الخاصة للتشابك المادي لسائل الدوران الكمومي قد تسمح بتخزين معلومات أكثر قوة. ذلك لأنه بدلاً من ترميز المعلومات الكمومية في كيوبت واحد فقط ، يمكن أن يسمح باحتواء المعلومات في الشكل – أو الطوبولوجيا – التي تصنعها حالات الدوران المتشابكة في جميع أنحاء المادة نفسها ؛ إنشاء “كيوبت طوبولوجي”. من خلال ترميز المعلومات في الشكل المكون من أجزاء متعددة بدلاً من جزء واحد فقط ، من غير المرجح أن تفقد الكيوبت الطوبولوجية جميع معلوماتها.

لقد خلق إثبات الباحثين للمفهوم كيوبتًا طوبولوجيًا صغيرًا فقط ، يبلغ طوله بضع عشرات من الذرات ، لكنهم يأملون في المستقبل في تكوين ذرات أكبر وأكثر عملية.

وقالت المؤلفة المشاركة جوليا سيميجيني ، عالمة فيزياء الكم بجامعة هارفارد ، في البيان: “إن تعلم كيفية إنشاء واستخدام مثل هذه الكيوبتات الطوبولوجية سيمثل خطوة كبيرة نحو تحقيق حواسيب كمومية موثوقة”. “نعرض الخطوات الأولى حول كيفية إنشاء هذا الكيوبت الطوبولوجي ، لكننا ما زلنا بحاجة إلى توضيح كيف يمكنك بالفعل تشفيره ومعالجته. هناك الآن الكثير لاستكشافه.”

المصدر/ livescience.comالمترجم/barabic.com

تعليقات (0)

إغلاق