نظرًا لضخامة حجمها وصعوبة التحكم فيها، 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 فائقة البرودة باستخدام نفس الطريقة: “مصائد الملقط” البصرية بدقة مجهرية.
يعد التشابك الكمي ظاهرة غريبة ولكنها أساسية في المجال الكمي والتي يحاول الفيزيائيون استغلالها لإنشاء أول أجهزة كمبيوتر كمومية تجارية.
جميع الأجسام – من الإلكترونات إلى الذرات والجزيئات وحتى المجرات بأكملها – يمكن وصفها نظريًا بأنها طيف من الاحتمالات قبل ملاحظتها. فقط من خلال قياس خاصية ما تتوقف عجلة الصدفة عند وصف واضح.
إذا كان جسمان متشابكين، فإن معرفة شيء ما عن خصائص أحد الجسمين – مثل دورانه أو موضعه أو زخمه – تعمل على الفور كقياس على الجسم الآخر، مما يؤدي إلى إيقاف عجلتي الاحتمال تمامًا.
حتى الآن، نجح الباحثون في تشابك الأيونات والفوتونات والذرات والدوائر فائقة التوصيل في التجارب المعملية. على سبيل المثال، قبل ثلاث سنوات، قام فريق بربط مليارات الذرات في غاز “ساخن وفوضوي”. مثيرة للإعجاب، ولكنها ليست عملية للغاية.
وقد شارك الفيزيائيون أيضًا أ الذرة والجزيء من قبل، وحتى المجمعات البيولوجية وجدت في الخلايا النباتية. لكن التحكم في أزواج الجزيئات الفردية ومعالجتها – بدقة كافية لأغراض الحوسبة الكمومية – أثبت أنها مهمة أكثر صعوبة.
يصعب تبريد الجزيئات وتتفاعل بسهولة مع بيئتها، مما يعني أنها تسقط بسهولة من الحالات الكمومية الهشة المتشابكة (ما يسمى فك الترابط).
ومن أمثلة هذه التفاعلات تفاعلات ثنائي القطب ثنائي القطب: الطريقة التي يمكن بها سحب الطرف الموجب لجزيء قطبي نحو الطرف السالب لجزيء آخر.
لكن هذه الخصائص نفسها أيضًا تجعل الجزيئات مرشحة واعدة للبتات الكمومية في الحوسبة الكمومية، لأنها توفر إمكانيات حسابية جديدة.
“تشكل حالات دورانها الجزيئي طويلة 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 البتات الحاسوبية الكلاسيكية، والتي يمكن أن تأخذ 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 للغموض الكمي المشترك المكون من 1s و0s أن يعمل كآلات حاسبة سريعة في خوارزميات مصممة خصيصًا.
الجزيئات، كونها كيانات أكثر تعقيدًا من الذرات أو الجسيمات، لها خصائص أو حالات متأصلة أكثر يمكن إجراؤها للاقتران لإنشاء كيوبت.
“ما يعنيه هذا، من الناحية العملية، هو أن هناك طرقًا جديدة لتخزين ومعالجة المعلومات الكمومية.” قال يوكاي لو، طالب دراسات عليا في الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في جامعة برينستون، وهو مؤلف مشارك للدراسة 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.”
قام الفريقان بتوليد جزيئات أحادية فلوريد الكالسيوم فائقة 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 لجزيء CaF واحد لاكتشاف التفاعل الكهربائي ثنائي القطب طويل المدى لشريكه. أدى هذا إلى ربط كل زوج من الجزيئات في حالة كمومية متشابكة، وذلك قبل وقت قصير فقط من أن يصبحا غريبين.
هذه الطريقة، من خلال معالجتها الدقيقة للجزيئات الفردية، “تمهد الطريق لتطوير منصات جديدة ومتعددة الاستخدامات لتقنيات الكم”. كتابة أوغستو سميرزي، عالم الفيزياء في المجلس الوطني للبحوث في إيطاليا، من منظور داعم.
ولم يشارك سمرزي في البحث، لكنه يرى الإمكانات. ومن خلال استغلال التفاعلات ثنائية القطب للجزيئات، يقول إنه يمكن استخدام النظام يومًا ما لتطوير أجهزة استشعار كمومية فائقة الحساسية قادرة على اكتشاف المجالات الكهربائية فائقة الضعف.
وقال: “تتراوح التطبيقات من تخطيط كهربية الدماغ لقياس النشاط الكهربائي في الدماغ إلى مراقبة التغيرات في المجالات الكهربائية في القشرة الأرضية للتنبؤ بالزلازل”. المضاربة.
