ابتكر باحثون في وحدة ديناميكيات الكم في معهد أوكيناوا لجامعة الدراسات العليا للعلوم والتكنولوجيا (OIST) طريقة جديدة؛ تسمى اكتشاف شحنة الصورة لاكتشاف تحولات الإلكترونات إلى الحالات الكمومية، حيث يمكن للإلكترونات أن تكون بمثابة بتات كمومية، وهي أصغر وحدة من المعلومات الكمومية، وهذه البتات هي أساس لأنظمة حسابية أكبر.
الطريقة الكمية لاكتشاف الحالات الكمومية للإلكترونات
هناك إمكانية جديدة للإلكترونات على الهيليوم؛ حيث تحتاج الإلكترونات إلى أن تكون ثابتة لتكون بمثابة بتات كمومية؛ وإلا فإنهم يتحركون بحرية، إذ أنه لإنشاء نظام لالتقاط الإلكترون استخدم الباحثون الهيليوم السائل، الذي يسيل في درجات الحرارة الباردة كركيزة، ونظرًا لأن الهليوم خالٍ من الشوائب، فمن المتوقع أن تحتفظ هذه الإلكترونات بالحالات الكمية أطول من أي مواد أخرى وهو أمر مهم لتحقيق الكمبيوتر الكمي.
وضع العالم دينيس مكثفًا متوازي الصفائح في خلية نحاسية درجة تبريدها 0.2 درجة كلفن (-272.8 درجة مئوية) ومليئة بالهيليوم السائل المكثف، حيث تجلس الإلكترونات الناتجة عن خيوط التنجستن فوق سطح الهيليوم السائل بين لوحين مكثف، وبعد ذلك أدى إدخال إشعاع الميكروويف في الخلية النحاسية إلى إثارة الحالات الكمومية للإلكترونات، مما تسبب في ابتعاد الإلكترونات عن لوحة المكثف السفلية والاقتراب من لوحة المكثف العلوية.
أكد الباحثون إثارة الحالات الكمومية من خلال ملاحظة ظاهرة كهروستاتيكية تسمى شحنة الصورة، مثل الانعكاس في المرآة تعكس شحنة الصورة بدقة حركة الإلكترونات، وإذا تحرك إلكترون بعيدًا عن لوحة المكثف، فإن شحنة الصورة تتحرك بجانبه.
للمضي قدمًا يأمل الباحثون في استخدام هذا الكشف عن شحنة الصور لقياس حالة دوران الإلكترون الفردي أو الحالة المدارية الكمومية، دون الإخلال بسلامة الأنظمة الكمومية، مثلما قال العالم كونستانتينوف يمكن اكتشاف الحالات الكمومية لمجموعة من الإلكترونات كثيرة، حيث أن النقطة القوية في هذه الطريقة الجديدة هي أنه يمكن تصغير هذه التقنية إلى إلكترون واحد واستخدامه كقطعة كمومية.
الحالات الكمومية للإلكترونات
- هل من الممكن الكشف عن الالكترونات: نظرًا لأنها جزيئات مشحونة، يمكن للمتتبع اكتشاف الإلكترون والبوزيترون، وبعد مرور الجسيمات عبر جهاز التعقب؛ فإنها تواجه مقياس المسعر الكهرومغناطيسي ECAL، المصمم لقياس طاقة الفوتونات والإلكترونات.
- علاقة التشابك الكمومي مع الحالات الكمومية للإلكترونات: بعض التطبيقات المهمة للتشابك الكمي هي النقل الآني الكمي والتشفير فائق الكثافة، حيث يعتبر التشابك ضروريًا للنشر الكامل للحوسبة الكمية التي تقوم على أساس الحالة الكمومية للإلكترونات.
حيث تعتبر الحالة الكمومية في فيزياء الكم، هي كيان رياضي يوفر توزيعًا احتماليًا لنتائج كل قياس محتمل على نظام ما، إذ تستنفد معرفة الحالة الكمومية مع قواعد تطور النظام بمرور الوقت كل ما يمكن توقعه بشأن سلوك النظام.
ويتبين أن الإلكترونات تتشابك من خلال استخدام الطريقة الأصلية بضرب إلكترونين منفصلين موجودين في حالة مترددة بفوتون، ثم يتم دمج الفوتونين في موجة واحدة ويتم تفسيرهما مما يكشف عن معلومات حول حالة الإلكترونين.
كيف تجمع تكنولوجيا الكم الجديدة بين الإلكترونات والفوتونات الحرة
نجح باحثون في إنشاء أزواج من الإلكترون والفوتون بطريقة محكومة في مجهر إلكتروني لأول مرة باستخدام طريقة جديدة، حيث يمكنهم اكتشاف الجسيمات المعنية بدقة، ويتم توسع نتائج الدراسة من صندوق أدوات تكنولوجيا الكم.
إن أجهزة كمبيوتر أسرع واتصالات غير قابلة للنقر ومستشعرات أفضل للسيارة؛ وتتمتع التقنيات الكمومية بإمكانية إحداث ثورة في حياتنا تمامًا كما حدث في السابق اختراع أجهزة الكمبيوتر أو الإنترنت، يحاول الخبراء في جميع أنحاء العالم تنفيذ نتائج البحوث الأساسية في تقنيات الكم.
ولتحقيق هذه الغاية غالبًا ما تتطلب جسيمات فردية مثل الفوتونات، والجسيمات الأولية للضوء بخصائص مخصصة؛ ومع ذلك فإن الحصول على الجسيمات الفردية أمر معقد ويتطلب أساليب معقدة، وفي دراسة نُشرت مؤخرًا في مجلة (Science)، قدم الباحثون الآن طريقة جديدة تولد في نفس الوقت جسيمين فرديين في شكل زوج.
يستخدم الضوء وإلكترون واحد لكشف المعلومات الكمية المخزنة في 100000 بت كم نووي:
وجد الباحثون طريقة لاستخدام الضوء مع إلكترون واحد للوصول إلى سحابة من البتات الكمومية ومعرفة بسلوكهم، مما يسمح بإمكانية معرفة وجود بت كمي واحد في سحابة كثيفة، واستطاع الباحثون من جامعة كامبريدج من حقن إبرة من المعلومات الكمومية الهشة للغاية في كومة قش تتكون من 100000 نواة.
باستخدام الليزر للتحكم في الإلكترون، يمكن للباحثين استخدام هذا الإلكترون للتحكم في سلوك كومة القش، مما يسهل العثور على الإبرة؛ حيث كانوا قادرين على اكتشاف الإبرة بدقة 1.9 جزء في المليون عالية بما يكفي لاكتشاف بتة كمومية واحدة في هذه المجموعة الكبيرة.
تسمح هذه التكنولوجيا في السماح بإرسال معلومات كمومية ذات هشاشة كبيرة بصريًا إلى نظام نووي للتخزين والتأكد من بصمتها بأقل قدر من الاضطراب وهي خطوة مهمة في عملية تحديث الإنترنت الكمي اعتمادا على مصادر الضوء الكمومي، إن أول أجهزة الكمبيوتر الكمومية التي ستسخّر السلوك الغريب للجسيمات دون الذرية لتتفوق بكثير حتى على أقوى أجهزة الكمبيوتر العملاقة تلوح في الأفق.
ومع ذلك، فإن الاستفادة من إمكاناتهم الكاملة ستتطلب طريقة للتواصل معهم كالإنترنت الكمي وتعتبر قنوات الضوء التي تنقل المعلومات الكمومية مرشحة واعدة للإنترنت الكمي، ولا يوجد حاليًا مصدر ضوء كمي أفضل من النقطة الكمومية لأشباه الموصلات مثل بلورات صغيرة هي في الأساس ذرات اصطناعية، ومع ذلك هناك شيء واحد يقف في طريق النقاط الكمومية والإنترنت الكمي وهي القدرة على تخزين المعلومات الكمومية مؤقتًا في منشورات مرحلية على طول الشبكة.
قياس غير مدمر فائق السرعة للحالة الكمومية للضوء باستخدام الإلكترونات الحرة
منذ ولادة البصريات الكمومية كان قياس الحالات الكمومية للضوء غير الكلاسيكي ذو أهمية كبيرة للتقدم في هذا المجال، وحتى الآن تعتمد الكواشف التقليدية مثل المضاعفات الضوئية والانهيارات الثلجية الضوئية والأسلاك النانوية فائقة التوصيل وفي جوهرها على الإثارة الخطية للإلكترونات المرتبطة بالضوء مما يفرض قيودًا أساسية على الاكتشاف.
في المقابل فإن تفاعل الإلكترونات الحرة مع الضوء في سياق البصريات الكمومية هو تفاعل غير خطي للغاية ويوفر إمكانيات مثيرة؛ حيث ظهرت التجارب الأولى التي عززت هذا الاتجاه خلال العقد الماضي كجزء من مجهر إلكتروني قريب من المجال الناجم عن الفوتون (PINEM)، حيث تكون الإلكترونات الحرة قادرة على امتصاص وانبعاث الفوتونات المتعددة عالية الترتيب.
تم اقتراح استخدام الإلكترونات الحرة للكشف البصري الكمومي عن الحالة الكمومية الكاملة للضوء، حيث وضح كيف أن التحكم الدقيق في الإلكترون قبل وبعد تفاعله مع الضوء الكمومي يمكن من استخراج إحصائيات الفوتون وتنفيذ التصوير المقطعي للحالة الكمومية الكاملة باستخدام PINEM، ويمكن أن تصل هذه التقنية إلى دقة زمنية دون الثانية وقياس التماسك الزمني لأي درجة واكتشاف أعداد كبيرة من الفوتونات مع كل إلكترون في نفس الوقت.
الأهم من ذلك أن تفاعل الإلكترون مع الضوء غير مدمر وبالتالي يترك الحالة الضوئية المعدلة بالتفاعل سليمة، والتي تختلف من الناحية المفاهيمية عن أجهزة الكشف التقليدية، باستخدام نبضة إلكترونات متعددة يتم تصوير كيف يمكن لأجهزة الكشف الكمومية PINEM تحقيق قياس طلقة واحدة للحالة الكاملة للضوء الكمي حتى بالنسبة لأحداث الانبعاث غير القابلة للتكرار.
وإجمالاً يمهد العلم الطريق لأنواع جديدة من أجهزة الكشف الإلكترونية؛ التي تستخدم المدة الفائقة السرعة والطبيعة غير الخطية العالية والطبيعة غير المدمرة لتفاعلات الضوء الإلكتروني.
