قام فريق من علماء الفيزياء في هولندا وألمانيا مؤخرًا بوضع مجموعة من ذرات التيتانيوم تحت مجهر مسح نفقي. كانت تلك الذرات في تفاعل مستمر وهادئ مع بعضها البعض من خلال اتجاهات دورانها. في إنجاز ذكي ، تمكن الباحثون من اقتحام زوج واحد من الذرات ، وصعق إحداهما بتيار كهربائي لقلب دورانها. ثم قاموا بقياس رد فعل شريكها.
عندما تحتوي ذرتان على دوران مترابطين ، فإنها تعتبر متشابكة كميًا. يعني هذا التشابك أن سلوك إحدى الذرات له تأثير مباشر على الأخرى ، وتقول النظرية أن هذا يجب أن يظل صحيحًا حتى عندما يفصل بينهما مسافات كبيرة. في هذه الحالة ، كانت ذرات التيتانيوم متباعدة قليلاً عن نانومتر (جزء من المليون من المليمتر) ، وهي قريبة بدرجة كافية حتى يتفاعل الجسيمان مع بعضهما البعض ولكن بعيدًا بما يكفي بحيث يمكن اكتشاف التفاعل بواسطة أدوات الفريق.
قال المؤلف المشارك ساندر أوتي ، عالم فيزياء الكم في معهد كافلي لعلم النانو في جامعة دلفت للتكنولوجيا في هولندا. أوضح أوتي في رسالة بالبريد الإلكتروني أن العلماء تمكنوا سابقًا من قياس قوة الدورات الذرية المختلفة وتأثير تلك القوة على مستوى طاقة الذرة. لكن هذه التجربة سمحت لهم بمراقبة هذا التفاعل بمرور الوقت.
يتمثل أحد الآمال الكبيرة للفيزياء التجريبية في أن يتمكن الباحثون يومًا ما من محاكاة التفاعلات الكمومية حسب رغبتهم ، وتعديل النظام الكمي كما يرونه مناسبًا ومراقبة كيفية عمل ميكانيكا الكم. في الواقع ، قام الباحثون بذلك ، حيث أطلقوا عملًا محددًا في ذرة واحدة ولاحظوا كيف تتفاعل الذرة المجاورة.
قالت إيلا لاكمان ، عالمة فيزياء الكم في جامعة كاليفورنيا في بيركلي والتي لم تشارك في الدراسة الجديدة: “هذا عرض رائع للغاية لمحاكاة كمومية بسيطة جدًا”. “من خلال التحكم في مواضع الذرات ، يمكننا نظريًا بناء نسخة طبق الأصل من الشبكة أو أي نظام نريد دراسة دينامياته.”
اختار الفريق العمل مع ذرات التيتانيوم لأن لديها أقل عدد ممكن من الخيارات الممكنة للدوران – إما لأعلى أو لأسفل. تم ربط ذرات التيتانيوم على سطح أكسيد المغنيسيوم ، مما أدى إلى تثبيتها في مكانها للفحص. عالقة على هذا السطح ، الذي تم الاحتفاظ به في فراغ شبه كامل عند كلفن واحد فقط ، أو -457.87 فهرنهايت ، يمكن للفيزيائيين انتقاء الذرات بشكل فردي تحت طرف المجهر. فيديو توضح كيف يعمل ذلك). يمكنهم بعد ذلك عكس دوران الذرة عن طريق دفع ذرة واحدة في زوج بنبضة كهربائية ، مما يؤدي إلى رد فعل فوري من قبل جارتها. قال أوتي إن ردود الفعل هذه يمكن التنبؤ بها من خلال قوانين ميكانيكا الكم. (إذا قلت “طرق الطرق” ، يمكنك أن تكون متأكدًا من أن الجسيم التالي سيستجيب “من هناك؟”) استغرقت العملية بأكملها حوالي 15 نانوثانية ، أو 15 مليارًا من الثانية. كان بحثهم نشرت اليوم في العلوم.
“الوقت والإبداع سيحددان ما إذا كان هذا عرضًا تجريبيًا رائعًا لنموذج لعبة أو شيء أعمق. الإمكانات موجودة “
هناك وسائل أخرى للقراءة في عالم الكم. العلماء قادرون على استحضار تفاعلات بين الذرات عن طريق تغيير دوران إحداهما ، لكن هذا التواصل البيني يحدث بسرعة كبيرة لدرجة أن وسائل الملاحظة النموذجية ، مثل تقنية الرنين الدوراني، لا يمكن استلامه. باحثو الكم غالبًا ما تستخدم نبضات الميكروويف لجعل الذرات تغير حالاتها أو تراقب ميكانيكا الكم بطريقة أخرى ، لكن نهج النبض الكهربائي هذا أعطى الفريق القدرة على استشعار أكثر دقيقة من التفاعلات الدقيقة ؛ ما يعادل DM من ذرة إلى ذرة.
قال لوكاس فيلدمان ، عالم فيزياء الكم في معهد كافلي لعلم النانو في جامعة ديلفت للتكنولوجيا ، في ديلفت ، إن طرقًا مثل تقنية الرنين المغزلي هي “ببساطة بطيئة للغاية”. إفراج. “لقد بدأت بالكاد في التواء أحدهما قبل أن يبدأ الآخر في الدوران. بهذه الطريقة لا يمكنك أبدًا التحقق مما يحدث عند وضع الدورتين في اتجاهين متعاكسين “.
قال أوتي إن السحر الحقيقي لهذا النوع من البحث لم يأتِ بعد. بينما رسم هذا الاكتشاف خريطة ارتداد السبينات بين ذرتين ، يصبح الموقف أكثر تعقيدًا مع كل ذرة تضيفها إلى المعادلة. يمكنك التفكير في لعبة على الهاتف حيث يمكن للمشاركين تمرير الرسالة مع التهامس بها مرة أخرى بالطريقة التي جاءت بها. ستبدأ الرسائل القادمة من اتجاهات مختلفة في التقاطع ، مما يؤدي إلى تشويه البيانات الرسمية.
قال لاكمان: “كما هو الحال دائمًا ، تكون نماذج الألعاب رائعة ، ولكن بمجرد أن نضيف إليها التعقيد الذي نهتم به حقًا ، تصبح الأسئلة المتعلقة بقياساتها وتفسيراتها أكثر تعقيدًا”. هل يمكنهم إجراء نفس التجربة بثلاث ذرات بينما يقيسون ذرة واحدة فقط؟ ربما نعم ، لكن تفسير القياس يصبح أكثر تعقيدًا. ماذا عن عشر ذرات؟ عشرين؟ سيحدد الوقت والبراعة ما إذا كان هذا عرضًا تجريبيًا رائعًا لنموذج لعبة أو شيء أعمق. الإمكانات موجودة “.
أكد أوتي أيضًا على تحديات الانحناء للعقل لتجاوز نظام بسيط من ذرتين. “إذا زدنا إلى 20 لفة ، فلن يتمكن الكمبيوتر المحمول الخاص بي من حساب ما يحدث. عند 50 دورة ، تستسلم أفضل أجهزة الكمبيوتر العملاقة في العالم ، وهكذا دواليك ، “قال أوتي. “إذا أردنا أن نفهم بدقة كيف يحدث السلوك المعقد لمواد معينة (مثال ممتاز هو الموصلية الفائقة) ، فسيتعين علينا” بناء “المواد من نقطة الصفر ومعرفة كيفية عمل قوانين الفيزياء عند الزيادة من 10 إلى 100 إلى 1000 ذرة “. تشير الموصلية الفائقة إلى المواد التي يمكنها نقل الكهرباء بدون مقاومة ، وهو أمر ممكن فقط في الوقت الحالي في درجات حرارة شديدة البرودة. لهذا السبب تم تطوير ملف الموصل الفائق في درجة حرارة الغرفة هو الكأس المقدسة للفيزياء. سوف يغير العالم بالكامل.
ولكن عند هذه الأرقام الكبيرة تبدأ في التعرف على الجوائز النهائية. بدلاً من الاستماع إلى صوت واحد من القلب إلى القلب ، يمكن للباحثين في النهاية سماع نفخة المحادثات الكمومية مع العديد من الذرات وهي تقلب جيئة وذهاباً. سنحتاج بالطبع إلى أجهزة كمبيوتر أفضل لمثل هذه المآزق ، ولكن حتى أصغر التفاعلات لها أهمية خاصة ، كبداية لمحادثة أكبر.
المزيد: متى ستتفوق أجهزة الكمبيوتر الكمومية على أجهزة الكمبيوتر العادية؟
