رصد
لاحظ علماء الفيزياء في جامعة ستانفورد أن بنية تهتز صغيرة تفقد وحدة واحدة من الطاقة الصوتية في قفزة كمومية مفاجئة. يمكن أن يساعد هذا الاكتشاف في تطوير الحوسبة الكمومية والاستشعار الدقيق.
أعطى مرنان ميكانيكي صغير، وهو هيكل يهتز مثل الشوكة الرنانة، الباحثين في جامعة ستانفورد نظرة فاحصة على كيفية اختفاء الصوت على المستوى الكمي. لقد شاهدوه وهو يفقد فونونًا واحدًا، وهو أصغر وحدة صوتية منفصلة، في أول ملاحظة مباشرة لقفزة كمومية للصوت.
يمثل الفونون الحركة المنسقة لمجموعة كبيرة من الذرات، تمامًا كما يمثل الفوتون كمًا من الضوء. على الرغم من أن رنين الجرس يبدو وكأنه يتلاشى بسلاسة، إلا أن طاقة اهتزاز الرنان تتغير في خطوات منفصلة. تسمى هذه التحولات المفاجئة بين حالات الطاقة بالقفزات الكمية.
القفزات الكمومية يمكن أن تشير إلى أخطاء الحوسبة
وقد نشر الفريق، بقيادة عالم الفيزياء في جامعة ستانفورد أمير صفوي نائيني، النتائج التي توصل إليها في علوم. إن اكتشاف هذه القفزات يمكن أن يساعد الباحثين على معالجة مشكلة مستمرة في الحوسبة الكمومية: التعرف على وقت حدوث خطأ ما أثناء العملية الحسابية.
تتمتع أجهزة الكمبيوتر الكمومية بالقدرة على التعامل مع بعض الحسابات المعقدة بما يتجاوز قدرات أجهزة الكمبيوتر التقليدية، لكن حالاتها الكمومية الهشة يمكن أن تتطور إلى أخطاء قبل انتهاء العمل. في العديد من بنيات الحوسبة الكمومية المقترحة، تمثل القفزة الكمية خطأً. كان تحديد وقت حدوث تلك القفزات أمرًا صعبًا، لذا فإن تتبعها صوتيًا يوفر خطوة نحو تصحيحها.
اثنان ميلي ثانية لتتبع فونون واحد
يتطلب إجراء هذا القياس كاشفًا يمكنه فحص الرنان بشكل متكرر دون تعطيل حالته الكمومية الهشة. قام المؤلفان المشاركان في الدراسة، تاكوما ماكيهارا وإريك سزاكيل، بتطوير طريقة لربط الرنان بالكيوبت فائق التوصيل، وهي دائرة كهربائية يمكنها تخزين المعلومات الكمومية وتكون بمثابة كاشف.
قال ماكيهارا، وهو خريج دكتوراه حديث في جامعة ستانفورد: “كان علينا أن نطور باستمرار عمليات جديدة لصنع هذا الجسم المهتز طويل العمر للغاية، ومن ثم دمجه مع الكيوبت، وهو كاشفنا الكهربائي الصغير – دون تدمير أي من النظامين الفرعيين”.
إن قدرة الرنان على الاستمرار في الاهتزاز أعطت للكاشف وقتًا كافيًا للعمل. يمكن أن يرن لمدة ميلي ثانية، وهي مدة تتوافق مع عدة ساعات من الرنين في شوكة رنانة عادية الحجم بنفس القدرة. سمح “وقت الرنين” الطويل بشكل غير عادي، وهو الوقت الذي يتلاشى خلاله الاهتزاز، للباحثين بأخذ مئات القراءات.
خلال تلك الاختبارات المتكررة، ميز الكيوبت بين حالة تحتوي على فونون واحد وحالة لا تحتوي على أي فونون. من خلال متابعة القراءات مع مرور الوقت، تمكن الباحثون من تحديد اللحظة التي قفز فيها المرنان من الحالة المسماة 1 إلى الحالة المسماة 0.
وتمتد النتيجة إلى تاريخ تجريبي يمتد إلى أكثر من قرن من الزمان. تم وضع نظرية للقفزات الكمية في أوائل القرن العشرين، وتم عرضها لأول مرة في الأيونات المحاصرة في عام 1986، ثم لوحظت لاحقًا في الفوتونات في عام 2007. وقد قدمت التجارب الصوتية السابقة دليلاً على القفزات الكمية، لكنها لم تتتبع القفزات الفردية بشكل مباشر في الوقت الفعلي.
نحو الكشف عن البروتينات داخل الخلايا
قال صفوي نايني، الأستاذ المشارك في الفيزياء التطبيقية في كلية العلوم الإنسانية والعلوم بجامعة ستانفورد: “ما تظهره هذه الدراسة سيسمح لنا بالمضي قدمًا في تطوير تقنيات كمومية جديدة مع الصوت”. “لقد رأينا أن الأجسام المهتزة يمكن أن تظهر سلوكًا كميًا، وهو الشرط الأساسي للعديد من العمليات التي تحتاجها الحوسبة الكمومية والاستشعار.”
تم تصنيع الرنان باستخدام تقنيات صناعة الرقائق وهو صغير بما يكفي بحيث يمكن وضع العديد منه على شريحة واحدة للقيام بوظائف معقدة. يمكن لصغر حجمه، بالإضافة إلى حساسية الرنان ونظام الكيوبت، أن يدعم أيضًا الاستشعار الدقيق للغاية. يعمل فريق صفافي-نايني بالفعل مع فريق الفيزيائي مايكل روكس في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا لمتابعة طريقة لاكتشاف وتحديد البروتينات داخل الخلايا باستخدام المنصة.
وقال سزاكيل، وهو طالب دكتوراه في مختبر صفوي نايني، إن التقدم يمكن أن يساعد في نهاية المطاف في تحسين الهواتف الذكية والأجهزة اليومية الأخرى التي تعتمد على الصوت.
وقال: “يُظهر هذا أنه يمكننا التحكم في الصوت بشكل لا يصدق، مما قد يعني أن الأجهزة التي تستخدم الصوت كتقنية أساسية يمكن أن تتحسن كثيرًا”.
المرجع: “القفزات الصوتية الكمية” بقلم تاكوما ماكيهارا، وإريك سزاكيل، وماثيو ب. ماكسيموفيتش، وأوليفر أ. هيتشكوك، وكافيه بيزشكي، وراشيل ج. جروينكي-فرويدنستين، وميهير بنداركار، وشانون بي. هارفي، وديفيد آي. شوستر، وأمير صفوي-نايني، 17 سبتمبر 2026، علوم.
دوى: 10.1126/science.aeh7535
scitechdaily.com
