علماء الفيزياء يتسلمون عائلة جديدة من “قطط شرودنغر”

لقد أظهر الفيزيائيون في جامعة أكسفورد عائلة جديدة من التراكبات الكمومية، حيث يكون كل مكون في حد ذاته حالة كمومية غريبة بشكل غير عادي. يتم نشر النتائج الرائعة للتجارب التي يصعب للغاية على البشر فهمها في المجلة المراجعة البدنية X.

قطة شرودنغر الشهيرة، كما نتذكر، لها حالتان فقط – حية أو ميتة. أو بالأحرى، تراكبهم – حتى تحققنا، كانت القطة في كلتا الحالتين في وقت واحد. كانت التجربة مع القطة عقلية بحتة، ولكن في الواقع، في هدوء المختبرات، يتم إجراء مثل هذه التجارب طوال الوقت – فقط بدلاً من الحيوان توجد ذرات أو ضوء أو حركة الجزيئات المحاصرة.

لقد طور فيزيائيو أكسفورد طريقة لإنشاء تراكبات من مجموعة واسعة من المكونات التي هي في حد ذاتها غير كلاسيكية إلى حد كبير، مما أدى إلى ظهور عائلة كاملة من الحالات المشابهة لقط شرودنغر. لا يجب أن تكون هذه المكونات نسخًا بسيطة لبعضها البعض، إذ يمكن أن تختلف في بنيتها الكمومية الداخلية، مثل توزيع عدم اليقين أو الاتجاه في فضاء الطور.

من السهل إجراء مثل هذه التجارب على الأيونات المحاصرة، لأنها تجمع بين نظامين كميين مختلفين، حيث تعمل الحالة الإلكترونية الداخلية للأيون مثل الكيوبت، وتتصرف الحركة الفيزيائية للأيون المحصور مثل المذبذب التوافقي الكمي. نتيجة ل يمكن استخدام الكيوبت كرافعة تحكم لتشكيل حالة اهتزازية.

تم تصنيع المكونات الفردية التي تم إدخالها في التراكب (بما في ذلك الحالات المضغوطة والمضغوطة ثلاثية والمضغوطة رباعية) مسبقًا على نفس المنصة باستخدام أيون السترونتيوم-88 المحاصر. كان التقدم الجديد هو دمجها بشكل متماسك في تراكبات قابلة للبرمجة، تذكرنا بقطة شرودنغر، مع التحكم في الحجم والاتجاه والفصل بين كل جزء.

لبناء التراكبات، استخدموا أولاً تفاعلات مصممة خصيصًا لتشابك الحالة الداخلية للأيون مع حالات حركة محتملة مختلفة. ثم قام قياس كمي متوسط ​​للحالة الداخلية بإسقاط حركة الأيون في التراكب المطلوب، مما أدى إلى فك تشابك النظامين دون إزعاج حالة الحركة.

تم تأكيد طبيعة الحالات التي تم إنشاؤها باستخدام ما يسمى التصوير المقطعي للحالة الكمومية، الذي يعيد بناء الحالة الكمومية الكاملة من سلسلة من القياسات. وأظهرت الحالات المعاد بناؤها أنماط تداخل ومناطق ذات قيم سلبية في تمثيل رياضي يعرف باسم دالة فيجنر، وهي دلائل على أن الحالات كانت كمومية حقًا ولا يمكن وصفها بأنها مخاليط كلاسيكية عادية. اتضح أنه بالنسبة لمتوسط ​​طاقة معين، تظهر تراكبات جديدة زيادة قدرة الموارد الكمومية، من حالات القط القياسية أو حالات فوك، والتي يمكن أن تكون مفيدة في الحوسبة الكمومية.

وقال قائد الدراسة راجافيندرا سرينيفاس من قسم الفيزياء بجامعة أكسفورد: “لقد شجعنا للغاية رد فعل زملائنا عندما أظهرنا لهم ما حققناه. نعتقد أننا مازلنا نخدش سطح ما هو ممكن، سواء من حيث التطبيقات العملية أو من حيث الفهم الأساسي لهذه الحالات”.

يمهد هذا العمل الطريق لتقنيات كمومية أكثر ثراءً ومتغيرة، حيث يتم تشفير المعلومات بدرجات حرية تشبه المذبذب بدلاً من مجرد كيوبتات ذات مستويين. يمكن أن توفر الحالات الجديدة موردًا مفيدًا لتصحيح الخطأ الكمي البوزوني، بالإضافة إلى فرص لدراسة الفجوة الهائلة بين السلوك الكمومي والفيزياء الكلاسيكية التقليدية.