الاختراق الكمي يحول القوى البسيطة إلى تفاعلات جديدة قوية

ابتكر العلماء طريقة جديدة لتوليد تفاعلات كمومية قوية، محققين أول عرض على الإطلاق للضغط الرباعي.

هذا الاختراق يجعل التأثيرات الكمومية المخفية سابقًا مرئية وقابلة للاستخدام في التقنيات المتقدمة.

علماء أكسفورد يُظهرون أول تفاعل كمي رباعي الضغط على الإطلاق

الباحثون في جامعة أكسفورد حققوا تقدمًا كبيرًا في فيزياء الكم من خلال إظهار نوع جديد من التفاعل باستخدام أيون محصور واحد. ومن خلال إنتاج أشكال متزايدة التعقيد من “الضغط” والتحكم فيها بعناية – بما في ذلك تأثير من الدرجة الرابعة يسمى الضغط الرباعي – جعل الفريق سلوكيات كمومية قابلة للملاحظة والتي كانت في السابق بعيدة المنال. تقدم الطريقة أيضًا طريقة جديدة لتصميم هذه التفاعلات والتحكم فيها، مع تطبيقات محتملة في المحاكاة الكمومية والاستشعار والحوسبة. تم نشر النتائج في 1 مايو فيزياء الطبيعة.

المذبذبات الكمومية ودورها في التكنولوجيا

تتصرف العديد من الأنظمة في الفيزياء كأجسام صغيرة تهتز، تشبه الزنبركات أو البندولات. في العالم الكمي، تسمى هذه المذبذبات التوافقية الكمومية. يمكن لهذا الإطار أن يصف موجات الضوء، والاهتزازات الجزيئية، وحتى حركة المحصور الواحد ذرة.

تعد القدرة على التحكم في هذه التذبذبات أمرًا ضروريًا لمجموعة من التقنيات الكمومية، بما في ذلك أجهزة القياس الحساسة للغاية وأجهزة الكمبيوتر الكمومية الناشئة.

كيف يؤدي الضغط إلى تحسين الدقة الكمومية

تُعرف إحدى الطرق المستخدمة على نطاق واسع للتحكم في المذبذبات الكمومية بالضغط. في ميكانيكا الكم، هناك حدود لكيفية قياس أزواج معينة من الخصائص بدقة، مثل الموقع والزخم، في نفس الوقت. ويؤدي الضغط إلى إعادة توزيع عدم اليقين هذا، مما يسمح بقياس إحدى الخاصيتين بشكل أكثر دقة على حساب زيادة عدم اليقين في الخاصية الأخرى.

يُستخدم هذا التأثير بالفعل في تطبيقات العالم الحقيقي. على سبيل المثال، يساعد الضوء المضغوط على تحسين حساسية موجة الجاذبية أجهزة كشف مثل ليغو.

تجاوز الضغط القياسي

يعد الضغط القياسي جزءًا فقط من فئة أوسع من التفاعلات. لقد هدف الفيزيائيون منذ فترة طويلة إلى إنشاء إصدارات أكثر تعقيدًا، بما في ذلك الضغط الثلاثي والضغط الرباعي. يصعب تحقيق هذه التأثيرات ذات الترتيب الأعلى لأنها ضعيفة جدًا بشكل طبيعي وتصبح أضعف مع زيادة الترتيب. ونتيجة لذلك، فإنها غالبًا ما تُفقد بسبب الضوضاء قبل أن يتم اكتشافها.

الجمع بين القوى لتضخيم التأثيرات الكمومية

وللتغلب على هذا التحدي، طور فريق أكسفورد نهجًا جديدًا. بدلًا من محاولة إنتاج تفاعل ضعيف عالي المستوى بشكل مباشر، قاموا بدمج قوتين متحكم فيهما بدقة تعملان على أيون محصور واحد. تتبع هذه الطريقة نظرية اقترحها الدكتور راجافيندرا سرينيفاس وروبرت تايلر ساذرلاند في عام 2021.

تنتج كل قوة بمفردها تأثيرًا بسيطًا يمكن التنبؤ به. ومع ذلك، عند استخدامها معًا، فإنها تخلق تفاعلًا أقوى يتجاوز مساهماتها الفردية. ينشأ هذا التأثير من عدم التبادلية، حيث تؤثر القوى على بعضها البعض بطريقة تؤدي إلى تضخيم الحركة الناتجة للأيون.

قالت المؤلفة الرئيسية، الدكتورة أوانا بازافان، قسم الفيزياء بجامعة أكسفورد: “في المختبر، غالبًا ما يُنظر إلى التفاعلات غير المتنقلة على أنها مصدر إزعاج لأنها تقدم ديناميكيات غير مرغوب فيها. هنا، اتخذنا النهج المعاكس واستخدمنا هذه الميزة لتوليد تفاعلات كمومية أقوى”.

العرض الأول للضغط الرباعي

وباستخدام نفس الإعداد التجريبي، تمكن الباحثون من التبديل بين أنواع مختلفة من الضغط. لقد أنتجوا ضغطًا قياسيًا، وثلاثيًا، ولأول مرة على أي منصة، ضغطًا رباعيًا، وهو تفاعل من الدرجة الرابعة. ومن خلال ضبط الترددات والأطوار ونقاط القوة للقوى المطبقة، يمكنهم التحكم في التفاعل الذي يظهر مع تقليل التأثيرات غير المرغوب فيها.

قالت الدكتورة أوانا بازافان: “النتيجة هي أكثر من مجرد إنشاء حالة كمومية جديدة. إنها عرض لطريقة جديدة للتفاعلات الهندسية التي كانت بعيدة المنال في السابق. تم إنشاء تفاعل الضغط الرباعي من الدرجة الرابعة أسرع بأكثر من 100 مرة من المتوقع باستخدام الأساليب التقليدية. وهذا يجعل التأثيرات التي كانت بعيدة المنال في السابق قابلة للوصول عمليًا”.

التحقق من الحالات الكمومية

وأكد الفريق نتائجهم من خلال إعادة بناء الحركة الكمومية للأيون المحتجز. كشفت قياساتهم عن أنماط مميزة مرتبطة بالضغط من الدرجة الثانية والثالثة والرابعة. وكانت هذه الأنماط بمثابة دليل واضح على أن كل نوع من التفاعل قد تم إنتاجه بنجاح.

التوسع نحو أنظمة كمومية أكثر تعقيدًا

يقوم الباحثون الآن بتطبيق هذه الطريقة على أنظمة أكثر تعقيدًا تتضمن أنماطًا متعددة للحركة. ونظرًا لأن هذه التقنية تستخدم أدوات متاحة بالفعل في العديد من المنصات الكمومية، فقد تصبح طريقة قابلة للتطبيق على نطاق واسع لدراسة السلوك الكمي المتقدم.

لقد تم بالفعل دمج هذا النهج مع قياسات الدائرة الوسطى لسبين الأيونات لإنشاء تراكبات مرنة للحالات المضغوطة، ولمحاكاة نظرية قياس الشبكة.

وقال الدكتور راغافيندرا سرينيفاس، المؤلف المشارك في الدراسة (قسم الفيزياء، جامعة أكسفورد)، والذي أشرف على العمل: “في الأساس، لقد أظهرنا نوعًا جديدًا من التفاعل الذي يتيح لنا استكشاف فيزياء الكم في منطقة مجهولة، ونحن متحمسون حقًا للاكتشافات القادمة”.

المرجع: “الضغط والضغط الثلاثي والضغط الرباعي في نظام دوران مذبذب هجين” بواسطة O. Băzăvan، S. Saner، DJ Webb، EM Ainley، P. Drmota، DP Nadlinger، G. Araneda، DM Lucas، CJ Ballance and R. Srinivas، 1 مايو 2026، فيزياء الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41567-026-03222-6

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.