فريق ألماني يحطم ثلاثة أرقام قياسية في فيزياء الكم الذرات العملاقة قد تعزز تطوير الجيل القادم من أجهزة الكمبيوتر الكمومية

الملخص:

أعلن الفريق البحثي للمعهد السادس للفيزياء التابع لجامعة شتوتغارت بألمانيا، أنه حقق ثلاثة أرقام قياسية عالمية في وقت واحد على نظام كمي خاص يسمى "ذرة ريدبيرج الدائرية"، بما في ذلك الحياة الذرية والحجم الذري وزمن الاحتفاظ في مصيدة الليزر. ويعتقد الباحثون أن هذا الاختراق من المتوقع أن يعزز تطوير أجهزة محاكاة كمومية عالية الأداء ويضع الأساس لبناء أجهزة كمبيوتر كمومية أكثر قوة في المستقبل.

يمكن لأجهزة المحاكاة الكمومية إعادة إنتاج سلوك الأنظمة الكمومية المعقدة في بيئة خاضعة للرقابة، وهي بمثابة منصة مهمة لاستكشاف الظواهر الكمومية الجديدة والتحقق من تكنولوجيا الحوسبة الكمومية. لطالما اعتبرت ذرات ريدبيرج وحدات مرشحة واعدة في مجالات المحاكاة الكمومية والحوسبة الكمومية. ومع ذلك، فهي حساسة للغاية للبيئة المحيطة بها، وغالبًا ما لا يمكنها البقاء مستقرة إلا لفترة قصيرة جدًا. وقد أصبح هذا أيضًا أحد العقبات الرئيسية التي تحد من تطوير التقنيات ذات الصلة.

قال تيلمان بفاو، رئيس فريق البحث، إن تحسين استقرار ذرات ريدبيرج كان دائمًا تحديًا أساسيًا في تطوير أجهزة المحاكاة الكمومية عالية الأداء. نجح الفريق في زيادة وقت الاستقرار الذري إلى 20 ضعف المستوى السابق، مما خلق ظروفًا أكثر ملاءمة لتطبيقات تكنولوجيا الكم اللاحقة.

يشير ما يسمى بذرة ريدبيرج إلى التركيب الذري الذي يتم فيه تحفيز الإلكترونات إلى مدارات عالية الطاقة بعيدًا عن النواة. ولأن المسافة بين الإلكترونات والنواة تتزايد بشكل كبير، فإن حجم هذه الذرات يمكن أن يصل إلى آلاف المرات من حجم الذرات العادية. ويتيح الحجم الأكبر تفاعلات كمومية مع الذرات المجاورة عبر مسافات أكبر، وهي خاصية مهمة لبناء الأنظمة الكمومية والتحكم فيها.

وقال الباحثون إن مسافة التفاعل بين ذرات ريدبيرج يمكن أن تصل إلى حوالي 5 ميكرون، أي حوالي عُشر سمك شعرة الإنسان. على الرغم من أنها لا تزال صغيرة للغاية على نطاق الحياة اليومية، إلا أنها بعيدة جدًا في العالم الذري. وهذا هو أحد الأسباب التي تجعل تكنولوجيا الكم الذرية المحايدة تفضل ذرات ريدبيرج. يتيح هذا النوع من التكنولوجيا معالجة المعلومات الكمومية عن طريق محاصرة الذرات غير المشحونة ومعالجتها باستخدام أشعة الليزر.

الهدف من بحث الفريق هذه المرة هو ذرات ريدبيرج الدائرية. في هذه الحالة، تتحرك الإلكترونات المثارة في مدار شبه دائري حول النواة. وفي التجربة، نجح الباحثون في بناء مدار إلكتروني يبلغ قطره حوالي 1.1 ميكرون، وهو أكبر بحوالي 10000 مرة من مدار الإلكترون للذرات العادية.

ولتحقيق هذا الهدف، قام الفريق بتطوير منصة تجريبية خاصة لإنشاء ذرات عملاقة مستقرة للغاية في درجة حرارة الغرفة عن طريق قمع تداخل إشعاع الجسم الأسود في البيئة. في الماضي، كانت التجارب المماثلة تتطلب في كثير من الأحيان بيئات باهظة الثمن ومعقدة ذات درجات حرارة منخفضة للغاية، ولكن تم تحقيق هذا الإنجاز في ظل ظروف أكثر اعتدالا، مما أدى إلى تحسين التطبيق العملي للتكنولوجيا.

خلال التجربة، نجح الباحثون في تحقيق ثلاثة أرقام قياسية دولية. أولاً، قاموا بقياس أطول عمر تم تسجيله على الإطلاق لذرة ريدبيرج المستديرة الواحدة. ومن خلال التحكم في الإلكترونات المثارة للتحرك على طول مدار دائري مستقر، تظل الذرات في حالة مستقرة لمدة 11 مللي ثانية، وهو أعلى بأكثر من 20 مرة من الحالة المماثلة السابقة في الفضاء الحر.

ثانيًا، قام الفريق البحثي بإنشاء أكبر ذرة ريدبيرج دائرية يمكن التحكم بها حتى الآن، حيث يصل مدار الإلكترون إلى حوالي 1.1 ميكرون، مسجلاً رقمًا قياسيًا جديدًا في المجالات ذات الصلة.

السجل الثالث يأتي من وقت التقاط الذرات بملاقط الليزر الضوئية. استخدم الباحثون أشعة الليزر للحفاظ على هذه الذرات العملاقة بنجاح في الفخ لمدة 133 مللي ثانية، مسجلين أيضًا رقمًا قياسيًا عالميًا جديدًا.

وأشار الباحثون إلى أن ذرات ريدبيرج المستديرة ليس فقط ذات عمر أطول، ولكنها أيضًا أكثر استقرارًا في مواجهة الاضطرابات الخارجية، مع الحفاظ على الميزة المهمة المتمثلة في التفاعل القوي لذرات ريدبيرج. هذه الخصائص تجعله مرشحًا مثاليًا للمحاكاة الكمومية ومنصات الحوسبة الكمومية المستقبلية.

مع استمرار تقدم أبحاث الحوسبة الكمومية، تعتقد الصناعة عمومًا أن الأجهزة الكمومية العملية المستقبلية تحتاج إلى استقرار عالٍ، ومعدلات خطأ منخفضة، وقابلية توسع قوية. تثبت النتائج التي حققتها جامعة شتوتغارت لأول مرة أن ذرات ريدبيرج الدائرية يمكنها تحقيق تحكم مستقر طويل المدى في درجة حرارة الغرفة، وهو ما من المتوقع أن يقلل بشكل كبير من مشكلة تراكم الأخطاء في العمليات الكمية.

ذكر فريق البحث أن الخطوة التالية ستكون محاولة بناء نظام كمي قابل للبرمجة يتكون من ذرات ريدبيرج الدائرية المتعددة لمواصلة استكشاف إمكانات التطبيق العملي في المحاكاة الكمومية والحوسبة الكمومية. ومع استمرار نضوج تكنولوجيا التحكم في هذه "الذرات العملاقة"، قد تكون أجهزة الكمبيوتر الكمومية أقرب بخطوة إلى الأداء الأعلى والتشغيل على نطاق أوسع.