ومن اللافت للنظر أن فريقًا من علماء الفيزياء في جامعة برينستون تمكن من ربط الجزيئات الفردية معًا لخلق حالة خاصة من "التشابك" الميكانيكي الكمي. وفي هذه الحالات الغريبة، تظل هذه الجزيئات مرتبطة ببعضها البعض ويمكن أن تتفاعل في وقت واحد، حتى لو كانت على بعد أميال، أو حتى لو كانت تشغل طرفين متقابلين من الكون. ونُشر البحث في العدد الأخير من مجلة Science.
عضو في فريق البحث بجامعة برينستون. من اليسار إلى اليمين البروفيسور المساعد لورانس تشيوك من قسم الفيزياء، ويوكاي لو، طالب دراسات عليا في قسم الهندسة الكهربائية، وكونور هولاند، طالب دراسات عليا في قسم الفيزياء. تصوير: ريتشارد سودن، قسم الفيزياء
وقال لورانس تشيوك، أستاذ مساعد في الفيزياء بجامعة برينستون وكبير مؤلفي الورقة: "يعد هذا إنجازا في العالم الجزيئي بسبب الأهمية الأساسية للتشابك الكمي". "لكنه أيضًا يعد إنجازًا كبيرًا للتطبيقات العملية، حيث يمكن للجزيئات المتشابكة أن تصبح اللبنات الأساسية للعديد من التطبيقات المستقبلية.
على سبيل المثال، يمكن لهذه الحواسيب أن تحل مشاكل معينة بشكل أسرع من أجهزة الكمبيوتر التقليدية، ويمكن لأجهزة المحاكاة الكمومية محاكاة المواد المعقدة التي يصعب نمذجة سلوكها، ويمكن لأجهزة الاستشعار الكمومية إجراء قياسات أسرع من أجهزة الكمبيوتر التقليدية.
قال كونور هولاند، وهو طالب دراسات عليا في قسم الفيزياء: "أحد الدوافع لممارسة العلوم الكمومية هو أنه في العالم الحقيقي، اتضح أنه يمكنك القيام بعمل أفضل في العديد من المجالات إذا استغلت قوانين ميكانيكا الكم".
تُسمى قدرة الأجهزة الكمومية على التفوق في الأداء على الأجهزة الكلاسيكية بـ "الميزة الكمومية". في قلب الميزة الكمومية توجد مبادئ التراكب والتشابك الكمي. في حين أن البتات الحاسوبية الكلاسيكية يمكن أن تأخذ قيمة 0 أو 1، فإن البتات الكمومية التي تسمى الكيوبتات يمكن أن تكون في حالة تراكب 0 و1 في نفس الوقت.
المفهوم الأخير، التشابك، هو حجر الزاوية الرئيسي في ميكانيكا الكم. ويحدث هذا عندما يرتبط جسيمان ببعضهما البعض بشكل لا ينفصم، بحيث يبقى الاتصال حتى لو كان أحد الجسيمين على بعد سنوات ضوئية من الآخر. شكك ألبرت أينشتاين في البداية في صحتها، ووصف الظاهرة بأنها "سلوك مخيف عن بعد". ومنذ ذلك الحين، أثبت الفيزيائيون أن التشابك هو في الواقع وصف دقيق للعالم المادي وبنية الواقع.
قال تشيوك: «التشابك الكمي هو مفهوم أساسي، لكنه أيضًا عامل رئيسي في إعطاء ميزة كمية.
لكن تحقيق الميزة الكمية وتحقيق التشابك الكمي الذي يمكن التحكم فيه يظل تحديًا، لأسباب ليس أقلها أن المهندسين والعلماء ما زالوا لا يعرفون أي منصة فيزيائية هي الأكثر ملاءمة لإنشاء الكيوبتات. على مدى العقود القليلة الماضية، تم استكشاف العديد من التقنيات المختلفة - مثل الأيونات المحاصرة، والفوتونات، والدوائر فائقة التوصيل، وغيرها - كمرشحين لأجهزة الكمبيوتر والأجهزة الكمومية. من المرجح أن يعتمد النظام الكمي الأمثل أو منصة الكيوبت على التطبيق المحدد.
ولكن حتى هذه التجربة، كانت الجزيئات تتحدى منذ فترة طويلة التشابك الكمي الذي يمكن التحكم فيه. لكن تشيوك وزملاؤه وجدوا طريقة للتحكم في الجزيئات الفردية وإقناعها بالدخول إلى هذه الحالات الكمومية المتشابكة من خلال التلاعب الدقيق في المختبر. ويعتقدون أيضًا أن الجزيئات تتمتع بمزايا معينة، مثل تلك التي يمكن مقارنتها بالذرات، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص لتطبيقات معينة في معالجة المعلومات الكمومية والمحاكاة الكمومية للمواد المعقدة. على سبيل المثال، تتمتع الجزيئات بدرجات كمية من الحرية أكبر من الذرات ويمكنها التفاعل بطرق جديدة.
وقال يوكاي لو، طالب دراسات عليا في الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر والمؤلف المشارك في الورقة البحثية: "من الناحية العملية، هذا يعني أن هناك طرقًا جديدة لتخزين ومعالجة المعلومات الكمومية". "على سبيل المثال، يمكن للجزيء أن يهتز ويدور في أوضاع متعددة. لذلك يمكنك تشفير الكيوبت باستخدام اثنين من هذه الأوضاع. إذا كانت الأنواع الجزيئية قطبية، فيمكن أن يتفاعل جزيئين حتى عندما يكونان منفصلين مكانيًا.
ومع ذلك، فقد ثبت أنه من الصعب التحكم في الجزيئات في المختبر بسبب تعقيدها. إن الحرية التي تجعلها جذابة تجعل من الصعب أيضًا التحكم فيها أو تسييجها في إعدادات المختبر. واجه تشيوك وفريقه العديد من هذه التحديات من خلال تجربة مدروسة تتضمن منصة تجريبية معقدة تسمى "مصفوفة الملقط"، حيث يتم التقاط الجزيئات الفردية بواسطة نظام معقد من أشعة الليزر المركزة بإحكام، تسمى "الملاقط البصرية".
وقال تشيوك: "إن استخدام الجزيئات في العلوم الكمومية هو جبهة جديدة، وإظهارنا للتشابك عند الطلب هو خطوة حاسمة في إثبات أنه يمكن استخدام الجزيئات كمنصات قابلة للحياة لعلم الكم".
وفي مقال آخر نُشر في نفس العدد من مجلة Science، حقق فريق بحث مستقل بقيادة جون دويل وكانغ كوين ني من جامعة هارفارد وولفغانغ كيترلي من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا نتائج مماثلة.
وقال تشيوك: "إن حقيقة حصولهم على نفس النتائج تؤكد موثوقية نتائجنا". "إنهم يظهرون أيضًا أن صفائف الملقط الجزيئية تظهر كمنصة جديدة ومثيرة لعلم الكم.
تم نشر "تشابك مصفوفة الملقط الضوئية القابلة لإعادة التشكيل عند الطلب" من تأليف كونور إم هولاند ويوكاي لو ولورانس دبليو تشيوك في مجلة Science في 8 ديسمبر 2023 (DOI: 10.1126/science.adf4272). تم دعم هذا العمل من قبل جامعة برينستون، والمؤسسة الوطنية للعلوم (2207518)، ومؤسسة سلون (FG-2022-19104).