تكنولوجيا النانو الآن - بيان صحفي: الفيزيائيون "تشابك" الجزيئات الفردية لأول مرة، مما يسرع احتمالات معالجة المعلومات الكمومية: في العمل الذي يمكن أن يؤدي إلى حوسبة كمومية أكثر قوة، نجح باحثون من جامعة برينستون في إجبار الجزيئات على التشابك الكمي

أعاد نشره أفلاطون

المتابعون: 0

الصفحة الرئيسية > صحافة > يقوم الفيزيائيون بتشابك الجزيئات الفردية لأول مرة، مما يسرع إمكانيات معالجة المعلومات الكمومية: في العمل الذي يمكن أن يؤدي إلى حوسبة كمومية أكثر قوة، نجح باحثون من جامعة برينستون في إجبار الجزيئات على التشابك الكمي

إعداد الليزر لتبريد الجزيئات الفردية والتحكم فيها وتشابكها. الائتمان: تصوير ريتشارد سودن، قسم الفيزياء، جامعة برينستون

Laser setup for cooling, controlling, and entangling individual molecules.

CREDIT
تصوير ريتشارد سودن، قسم الفيزياء، جامعة برينستون

المستخلص:
لأول مرة، تمكن فريق من علماء الفيزياء في جامعة برينستون من ربط الجزيئات الفردية معًا في حالات خاصة "متشابكة" ميكانيكا الكم. في هذه الحالات الغريبة، تظل الجزيئات مرتبطة ببعضها البعض، ويمكن أن تتفاعل في وقت واحد، حتى لو كانت على بعد أميال، أو حتى لو كانت تشغل طرفين متقابلين من الكون. وقد نشر هذا البحث مؤخرا في مجلة العلوم.

يقوم الفيزيائيون بتشابك الجزيئات الفردية لأول مرة، مما يسرع إمكانيات معالجة المعلومات الكمومية: في العمل الذي يمكن أن يؤدي إلى حوسبة كمومية أكثر قوة، نجح باحثون من جامعة برينستون في إجبار الجزيئات على التشابك الكمي

برينستون، نيوجيرسي | تم النشر في 8 ديسمبر 2023

وقال لورانس تشيوك، الأستاذ المساعد في الفيزياء بجامعة برينستون والمؤلف الرئيسي للدراسة: "يعد هذا طفرة في عالم الجزيئات بسبب الأهمية الأساسية للتشابك الكمي". "لكنه يعد أيضًا إنجازًا كبيرًا للتطبيقات العملية لأن الجزيئات المتشابكة يمكن أن تكون اللبنات الأساسية للعديد من التطبيقات المستقبلية."

وتشمل هذه، على سبيل المثال، أجهزة الكمبيوتر الكمومية التي يمكنها حل مشكلات معينة بشكل أسرع بكثير من أجهزة الكمبيوتر التقليدية، وأجهزة المحاكاة الكمومية التي يمكنها نمذجة المواد المعقدة التي يصعب نمذجة سلوكياتها، وأجهزة الاستشعار الكمومية التي يمكنها القياس بشكل أسرع من نظيراتها التقليدية.

يقول كونور هولاند، وهو طالب دراسات عليا في قسم الفيزياء: "أحد الدوافع وراء ممارسة العلوم الكمومية هو أنه في العالم العملي يتبين أنه إذا قمت بتسخير قوانين ميكانيكا الكم، فيمكنك القيام بعمل أفضل بكثير في العديد من المجالات". ومؤلف مشارك في العمل.

تُعرف قدرة الأجهزة الكمومية على التفوق على الأجهزة الكلاسيكية باسم "الميزة الكمية". وفي قلب الميزة الكمومية توجد مبادئ التراكب والتشابك الكمي. في حين أن بت الكمبيوتر الكلاسيكي يمكن أن يأخذ قيمة إما 0 أو 1، فإن البتات الكمومية، التي تسمى الكيوبتات، يمكن أن تكون في نفس الوقت في حالة تراكب 0 و 1. المفهوم الأخير، التشابك، هو حجر الزاوية الرئيسي في ميكانيكا الكم، ويحدث عندما اثنين وتصبح الجسيمات مرتبطة ببعضها البعض ارتباطًا وثيقًا، بحيث يستمر هذا الارتباط، حتى لو كان أحد الجسيمين على بعد سنوات ضوئية من الجسيم الآخر. وهي الظاهرة التي وصفها ألبرت أينشتاين، الذي شكك في البداية بصحتها، بأنها "عمل شبحي عن بعد". ومنذ ذلك الحين، أثبت الفيزيائيون أن التشابك هو في الواقع وصف دقيق للعالم المادي وكيفية هيكلة الواقع.

يقول تشيوك: "إن التشابك الكمي هو مفهوم أساسي، ولكنه أيضًا العنصر الرئيسي الذي يمنح الميزة الكمية".

لكن بناء ميزة كمية وتحقيق تشابك كمي يمكن التحكم فيه يظل تحديًا، لأسباب ليس أقلها أن المهندسين والعلماء ما زالوا غير متأكدين بشأن أي منصة فيزيائية هي الأفضل لإنشاء الكيوبتات. في العقود الماضية، تم استكشاف العديد من التقنيات المختلفة - مثل الأيونات المحاصرة، والفوتونات، والدوائر فائقة التوصيل، على سبيل المثال لا الحصر - كمرشحين لأجهزة الكمبيوتر والأجهزة الكمومية. يمكن أن يعتمد النظام الكمي الأمثل أو منصة الكيوبت بشكل جيد على التطبيق المحدد.

ولكن حتى هذه التجربة، كانت الجزيئات تتحدى منذ فترة طويلة التشابك الكمي الذي يمكن التحكم فيه. لكن تشيوك وزملاؤه وجدوا طريقة، من خلال التلاعب الدقيق في المختبر، للتحكم في الجزيئات الفردية وإقناعها بالدخول في هذه الحالات الكمومية المتشابكة. كما اعتقدوا أيضًا أن الجزيئات تتمتع بمزايا معينة - على الذرات، على سبيل المثال - مما يجعلها مناسبة بشكل خاص لتطبيقات معينة في معالجة المعلومات الكمومية والمحاكاة الكمومية للمواد المعقدة. بالمقارنة مع الذرات، على سبيل المثال، تتمتع الجزيئات بدرجات كمية أكبر من الحرية ويمكنها التفاعل بطرق جديدة.

قال يوكاي لو، طالب دراسات عليا في الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر ومؤلف مشارك في الورقة البحثية: "ما يعنيه هذا، من الناحية العملية، هو أن هناك طرقًا جديدة لتخزين ومعالجة المعلومات الكمومية". "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 يكونا منفصلين مكانيًا.

ومع ذلك، فقد ثبت أنه من الصعب جدًا التحكم في الجزيئات في المختبر بسبب تعقيدها. إن درجات الحرية التي تجعلها جذابة تجعل من الصعب أيضًا التحكم فيها أو تطويعها في إعدادات المختبر.

واجه تشيوك وفريقه العديد من هذه التحديات من خلال تجربة مدروسة بعناية. لقد اختاروا أولاً نوعًا جزيئيًا قطبيًا ويمكن تبريده بالليزر. ثم قاموا بتبريد الجزيئات بالليزر إلى درجات حرارة فائقة البرودة حيث تحتل ميكانيكا الكم مركز الصدارة. تم بعد ذلك التقاط الجزيئات الفردية بواسطة نظام معقد من أشعة الليزر شديدة التركيز، والتي تسمى "الملاقط الضوئية". ومن خلال هندسة مواقع الملقط، تمكنوا من إنشاء مصفوفات كبيرة من الجزيئات المفردة ووضعها بشكل فردي في أي تكوين مرغوب فيه أحادي البعد. على سبيل المثال، قاموا بإنشاء أزواج معزولة من الجزيئات وأيضًا سلاسل من الجزيئات خالية من العيوب.

بعد ذلك، قاموا بتشفير الكيوبت في حالة عدم الدوران والدوران للجزيء. لقد تمكنوا من إظهار أن هذا الكيوبت الجزيئي ظل متماسكًا، أي أنه يتذكر تراكبه. باختصار، أثبت الباحثون القدرة على إنشاء كيوبتات متماسكة ومنضبطة بشكل جيد من جزيئات يتم التحكم فيها بشكل فردي.

ولتشابك الجزيئات، كان عليهم أن يجعلوا الجزيء يتفاعل. وباستخدام سلسلة من نبضات الميكروويف، تمكنوا من جعل الجزيئات الفردية تتفاعل مع بعضها البعض بطريقة متماسكة. من خلال السماح للتفاعل بمواصلة فترة زمنية محددة، تمكنوا من تنفيذ بوابة ثنائية الكيوبت والتي تشابكت بين جزيئين. وهذا أمر مهم لأن مثل هذه البوابة المتشابكة ثنائية الكيوبت هي لبنة أساسية لكل من الحوسبة الكمومية الرقمية العالمية ومحاكاة المواد المعقدة.

إن إمكانات هذا البحث لدراسة مجالات مختلفة من العلوم الكمومية كبيرة، نظرًا للميزات المبتكرة التي توفرها هذه المنصة الجديدة لمصفوفات الملقط الجزيئية. على وجه الخصوص، يهتم فريق برينستون باستكشاف فيزياء العديد من الجزيئات المتفاعلة، والتي يمكن استخدامها لمحاكاة أنظمة الأجسام المتعددة الكمومية حيث يمكن أن يظهر سلوك ناشئ مثير للاهتمام مثل أشكال جديدة من المغناطيسية.

قال تشيوك: "إن استخدام الجزيئات في العلوم الكمومية يعد بمثابة حدود جديدة، ويعد عرضنا للتشابك عند الطلب خطوة أساسية في إثبات إمكانية استخدام الجزيئات كمنصة قابلة للتطبيق في العلوم الكمومية".

وفي مقال منفصل نُشر في نفس العدد من مجلة ساينس، حققت مجموعة بحثية مستقلة بقيادة جون دويل وكانغ كوين ني في جامعة هارفارد وولفغانغ كيترلي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا نتائج مماثلة.

وقال تشيوك: "إن حقيقة حصولهم على نفس النتائج تؤكد موثوقية نتائجنا". "إنهم يظهرون أيضًا أن صفائف الملقط الجزيئية أصبحت منصة جديدة ومثيرة لعلم الكم."

####

لمزيد من المعلومات ، يرجى الضغط هنا

جهات الاتصال:
كاثرين زاندونيلا
جامعة برينستون
مكتب: 609-258-0541
جهة اتصال الخبراء

لورانس دبليو تشيوك
جامعة برينستون
@ برينستون

حقوق النشر © جامعة برينستون

إذا كان لديك تعليق ، من فضلك اتصل بنا لنا.

جهات إصدار النشرات الإخبارية ، وليس 7th Wave، Inc. أو Nanotechnology Now ، هي المسؤولة وحدها عن دقة المحتوى.

المرجعية: