يمكن للذرات كبيرة الحجم أن تساعد أجهزة الكمبيوتر الكمومية على العمل لفترة أطول مع أخطاء أقل بعد أن حطم العلماء ثلاثة أرقام قياسية دون التبريد المكلف الذي تتطلبه هذه التجارب عادة.
وضع العلماء في المعهد الخامس للفيزياء بجامعة شتوتغارت ثلاثة أرقام قياسية لذرات ريدبيرج الدائرية: عمرها الافتراضي، وحجمها، ومدة احتجازها في مصائد الليزر. النتائج التي نشرت في اتصالات الطبيعةيمكن أن يساعد الباحثين على بناء أجهزة محاكاة كمومية أكثر قدرة، وفي نهاية المطاف، أجهزة كمبيوتر كمومية.
تعمل أجهزة المحاكاة الكمومية على إعادة إنشاء الأنظمة الكمومية التي يرغب العلماء في استكشافها. كما أنها توفر طريقة لتطوير واختبار تقنيات أجهزة الكمبيوتر الكمومية المستقبلية. تعتبر ذرات ريدبيرج مكونات واعدة لكليهما، لكن حساسيتها للبيئة المحيطة بها تحد من المدة التي يمكن للباحثين استخدامها.
يقول البروفيسور الدكتور تيلمان بفاو، رئيس المعهد الخامس للفيزياء: “أحد التحديات الرئيسية في تطوير أجهزة محاكاة كمومية عالية الأداء هو أن ذرات ريدبيرج حساسة للغاية وتظل مستقرة لفترة قصيرة فقط. لقد تغلبنا على هذا التحدي وزدنا استقرار الذرات بعامل 20”.
لماذا تعتبر الذرات العملاقة مهمة للحوسبة الكمومية
تحتوي ذرة ريدبيرج على إلكترون مُثار إلى حالة بعيدة عن نواتها، مما يجعل الذرة أكبر بعدة آلاف المرات من الذرة العادية. يسمح هذا الحجم الموسع للذرات المجاورة بالتفاعل عبر مسافات كبيرة بشكل غير عادي، وهي خاصية مفيدة للتحكم في الأنظمة الكمومية.
يمكن أن تمتد هذه التفاعلات إلى حوالي 5 ميكرومتر (0.0002 بوصة)، أي ما يقرب من عُشر سمك شعرة الإنسان. وعلى الرغم من صغر حجم هذا الفصل بالمعايير اليومية، إلا أنه كبير مقارنة بأبعاد الذرات العادية. ولذلك فإن ذرات ريدبيرج ذات قيمة بالنسبة لتقنيات الكم ذات الذرة المحايدة، والتي تستخدم الذرات المحايدة (أي غير المشحونة) المحاصرة والتحكم فيها باستخدام ضوء الليزر.
عمل فريق شتوتغارت مع ذرات ريدبيرج الدائرية، التي يحتل إلكترونها المثار حالة دائرية حول النواة. بلغ قطر مداراتها الإلكترونية حوالي 1.1 ميكرومتر (0.000043 بوصة)، أي ما يقرب من 10000 ضعف حجم تلك الموجودة في الذرات العادية.
يقول الدكتور فلوريان مينيرت، قائد المجموعة في المعهد الخامس للفيزياء: “لقد حققنا ثلاثة أرقام قياسية دولية في وقت واحد: أطول عمر تم قياسه على الإطلاق لذرات ريدبيرج الفردية، وأكبر ذرات ريدبيرج دائرية يمكن التحكم فيها، وأطول فترة تخزين لمثل هذه الذرات في ملاقط بصرية”.
سجلان يقيسان أنواعًا مختلفة من الاستقرار
استمرت الحالة الدائرية 11 ميلي ثانية، أي أكثر من 20 مرة أطول من الحالات المماثلة في الفضاء الحر. وبشكل منفصل، احتفظ الباحثون بالذرات في مصيدة ليزر، تُعرف باسم الملقط البصري، لمدة 133 مللي ثانية. تصف هذه القياسات إنجازات مختلفة: مدة بقاء الحالة المثارة، ومدة بقاء الذرة محاصرة.
يقول إينيوس بولتينفيسيوس، باحث الدكتوراه في فريق مينيرت: “تفتح هذه السجلات إمكانيات جديدة لجعل أجهزة المحاكاة الكمومية أكثر قوة، وإجراء المزيد من الحسابات، والتحكم في الأنظمة الكمومية بدقة أكبر”.
يقول مينيرت: “لقد حققنا هذه النتائج القياسية في درجة حرارة الغرفة دون الحاجة إلى التبريد بالهليوم السائل المكلف سابقًا”.
حجب الموجات الدقيقة بدلاً من تبريد الذرات
قد تبدو درجة حرارة الغرفة عادية بالنسبة للناس، ولكنها تخلق بيئة معطلة لهذه الذرات الحساسة. تبعث الأسطح المحيطة إشعاعًا حراريًا، بما في ذلك الموجات الدقيقة غير المرئية التي يمكن أن تزعج حالاتها المثارة. اعتمدت التجارب السابقة على أنظمة تبريد متطورة لتقليل هذا التداخل.
وبدلاً من ذلك، قام الفريق بتعديل مفهوم الحماية من الثمانينيات. استخدم النهج الأصلي الجدران المعدنية لمنع الإشعاع الحراري المزعج. في هذه التجربة، وضع الباحثون الذرات بين لوحين شفافين موصلين للكهرباء، مما يمنع الموجات الميكروية المسببة للتداخل.
يقول مينيرت: “تظهر نتائجنا أن ذرات ريدبيرج طويلة العمر للغاية ممكنة حتى في درجة حرارة الغرفة. لقد قمنا بتحسين مفهوم معروف في الفيزياء لاستخدامه في المنصات الكمومية الحديثة”.
مزيد من الوقت للحسابات الكمومية
يقول بفاو: “يمكن لهذه التطورات أن تلعب دورًا مهمًا في تطوير أجهزة المحاكاة الكمومية وأجهزة الكمبيوتر الكمومية”. تعد الذرات المحايدة الموجودة في الملقط البصري من بين المرشحين الرئيسيين للمحاكاة الكمومية التي يمكن أن تنمو لاستيعاب أنظمة أكبر.
يمكن لحالات ريدبيرج الأطول عمرًا أن تساعد في الحفاظ على المعلومات الكمومية وتسمح بتحكم أكثر دقة في التفاعلات بين الذرات. ويتوقع الباحثون أن الاستقرار الإضافي سيدعم العمليات الحسابية الأطول مع أخطاء أقل، على الرغم من أن السجلات نفسها تمثل تقدمًا في التكنولوجيا الأساسية وليست عرضًا لجهاز كمبيوتر كمي كامل.
تمتلك جامعة شتوتغارت الآن منصة تجريبية لذرات ريدبيرج الدائرية الفريدة من نوعها في جميع أنحاء العالم. ويخطط الفريق لاستخدامه لتطوير أجهزة كمبيوتر كمومية جديدة، وأجهزة محاكاة كمومية، وأجهزة استشعار كمومية عالية الدقة.
المرجع: “ذرات ريدبيرج الدائرية العملاقة طويلة العمر في درجة حرارة الغرفة” بقلم إينيوس بولتينفيسيوس، وآرون جوتزيلمان، وفابيان تيليمان، وكريستيان هولزل، وفلوريان مينيرت، 15 سبتمبر 2026، اتصالات الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41467-026-77764-x
لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.
