طور الباحثون في جامعة لييج طريقة رائعة تستخدم مزيجًا من الهندسة والتحكم الكمي لتوليد حالات التراكب الكمومي بسرعة (أي حالات NOON). ويقلل هذا الابتكار بشكل كبير وقت الإعداد من دقائق إلى ميلي ثانية، مما يفتح الباب أمام التطبيقات العملية في الحوسبة الكمومية وأجهزة الاستشعار فائقة الدقة.
لطالما كان إنشاء تراكبات كمومية للذرات فائقة البرودة تحديًا كبيرًا، حيث أثبتت الأساليب الحالية أنها بطيئة جدًا للاستخدام العملي في المختبر. وقد طور الباحثون في جامعة لييج الآن طريقة جديدة تجمع بين الهندسة و"التحكم الكمي" لتسريع هذه العملية بشكل كبير وفتح الباب أمام التطبيقات العملية لتكنولوجيا الكم.
تخيل أنك تدفع عربة تسوق ممتلئة إلى السوبر ماركت. الهدف هو الوصول إلى منطقة الدفع بشكل أسرع من أي شخص آخر وعدم فقدان العناصر في المنعطفات الحادة. مفتاح النجاح هو العثور على الطريق الأكثر استقامة وسلاسة والحفاظ على السرعة دون التباطؤ.
وهذا بالضبط ما حققه سيمون دينجيس، باحث الدكتوراه في جامعة لييج. إنه ليس في سوبر ماركت، بل في عالم فيزياء الكم المعقد.
حالة NOON هي حالة كمومية متراكبة تكون فيها جسيمات N في حالة واحدة "في نفس الوقت" وفي حالة أخرى "في نفس الوقت". هنا، يتم احتجاز الجزيئات في بئرين، داخل البئر الذي أنشأه الليزر. وبالتالي فإن حالة التراكب تتكون من حالة تكون فيها جميع الجسيمات في البئر الأيسر وحالة تكون فيها محاصرة في البئر الأيمن. عندما تكون الجسيمات في نفس الموقع، فإنها تتفاعل و"تلتصق" ببعضها البعض، مما يمنع الجسيمات الفردية من مغادرة المصيدة. مصدر الصورة: جامعة لييج / إس دينجيس
تعاون Dungis مع فريق فيزياء الكم الإحصائية (PQS) لتطوير بروتوكول للتوليد السريع لحالات NOON. ويوضح قائلاً: "تبدو هذه الحالات وكأنها نسخ مصغرة من قطة شرودنغر الشهيرة، وهي التراكبات الكمومية". "إنها ضرورية لتقنيات مثل أجهزة الاستشعار الكمومية فائقة الدقة أو أجهزة الكمبيوتر الكمومية."
ما هي التحديات الرئيسية؟ غالبًا ما يستغرق إنشاء هذه الحالات وقتًا طويلاً. نحن نتحدث عن عشرات الدقائق أو أكثر، وهو ما يتجاوز في الغالب عمر التجربة. ما هو السبب؟ اختناقات الطاقة، "المنعطفات الحادة" في تطور النظام، تجبره على التباطؤ.
يعوض التحكم المضاد لمرض السكر القصور الذاتي للنظام عن طريق تغييره بطريقة ما. في هذا المثال، للتعويض عن حركة الماء الناتجة عن حركة النادل، يمكن للنادل إمالة الدرج لمواجهة القصور الذاتي للزجاج، ومنعه من الانقلاب. مصدر الصورة: جامعة لييج / إس دينجيس
هذا هو العمل الرائع الذي قام به فريق جامعة لييج. لقد مهدوا الطريق بنجاح للذرات من خلال الجمع بين المفهومين القويين للقيادة المضادة لمرض السكر والمسارات الجيوديسية المثالية. النتيجة: يمكن للنظام أن يتطور بسرعة أكبر دون الانحراف عن المسار المثالي، مثل السائق الذي يتوقع الانحناء عن طريق إمالة منصة التحميل.
يقول بيتر شلاجيك، مدير المختبر: "توفر هذه الإستراتيجية الكثير من الوقت: في بعض الحالات، يمكن أن تكون سرعة المعالجة أسرع بـ 10000 مرة، مع الحفاظ على دقة بنسبة 99%، أي نتيجة شبه مثالية". في السابق، كان الأمر يستغرق حوالي عشر دقائق لإنشاء هذه الحالة، لكن الباحثين تمكنوا من تقليل وقت الانتظار بشكل ملحوظ... إلى 0.1 ثانية!
مع هذا الاختراق، يمكننا أخيرًا إنتاج حالة NOON باستخدام ذرات فائقة البرودة. وهذا يفتح آفاقًا واعدة للقياس الكمي (قياسات فائقة الحساسية للوقت أو الدوران أو الجاذبية) وتكنولوجيا المعلومات الكمومية. في نهاية المطاف، يمكن لهذه الأدوات تحسين أدوات مثل الجيروسكوبات الكمومية أو أجهزة كشف الجاذبية المصغرة.
يمكن للبروتوكول المقترح (الأزرق، GCD) توسيع عنق الزجاجة في الطاقة (مقارنة بالبروتوكول الأحمر المعتاد G)، وبالتالي يتطلب كبحًا أقل عند الاقتراب من عنق الزجاجة. يمكن فهم هذه الصورة من حيث سباق الدراجات النارية: تحتاج الدراجة النارية الحمراء إلى الفرامل أكثر من الدراجة النارية الزرقاء لأن الانعطاف أقل "سلاسة". لذلك، ستصل الدراجة النارية الزرقاء إلى وجهتها قبل الخصم. عند هذه النقطة، تكون التغيرات في طاقة النظام (وبالتالي حالته) أقل مفاجأة، وبالتالي يتم تسريع العملية برمتها بشكل كبير. مصدر الصورة: جامعة لييج/س.دينجيس
توضح هذه الدراسة كيف يمكن الجمع بين النظرية والتجربة لدفع تقدم ملموس في فيزياء الكم. من خلال الجمع بين المفاهيم الرياضية والفيزياء الأساسية والجدوى التجريبية، حقق الباحثون في جامعة لييج اختراقات يمكن أن تحول ما كان في السابق نظرية إلى تكنولوجيا المستقبل.
يحدث التراكب الكمي عندما يكون النظام الكمي (مثل الذرة أو الإلكترون أو الفوتون) في حالات متعددة في نفس الوقت دون أن يتم ملاحظته. المثال الأكثر استخدامًا لشرح هذا المفهوم هو قطة شرودنغر: قطة محبوسة في صندوق. وفقًا لميكانيكا الكم، فإن القطة تظل حية وميتة حتى يتم فتح الصندوق. ويسمى هذا الجمع المتزامن بين حالتين بالتراكب.
فقط من خلال فتح الصندوق والمراقبة يمكننا "إجبار" الطبيعة على اختيار حالة واحدة: حية أو ميتة. تعد حالة NOON مثالًا على التراكب الكمومي: جميع الذرات موجودة في البئر الأيسر والبئر الأيمن في نفس الوقت. فقط في لحظة القياس تظهر في إحداها.
تم تجميعها من / scitechdaily