علماء يسجلون تغيرات الموجات الصدمية الذرية داخل البلورة قبل تشكل الكيوبتات

سجّل العلماء التغيرات التي تحدث داخل البلورة في اللحظة التي تسبق تشكل الكيوبتات. وتتبّع فريق بحثي في مختبر أرجون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية التغيرات في البنية ثلاثية الأبعاد لكربيد السيليكون. وقد استخدم الفريق في تجاربه أحد أقوى مصادر الأشعة السينية في العالم. ونُشرت نتائج البحث في دورية "ACS Nano"، مما مكّن الباحثين من مراقبة كيفية استجابة الشبكة الذرية للمادة لضربات الليزر في الوقت الفعلي. وعادة ما ينطوي بناء أجهزة كمية صلبة على التسبب المتعمد في أضرار. حيث يطلق الفيزيائيون حزمة نبضية فائقة السرعة من الليزر على الشبكة البلورية. ويستمر الوميض لجزء من الثانية فقط، وينتج عنه إزاحة ذرات فردية عن مواضعها。

المكونات الأساسية للكيوبتات

تترك هذه العملية فجوات دقيقة تُعرف بالثقوب. وأشار مختبر أرجون الوطني إلى أن "هذه الثقوب ليست عيوباً، بل يمكنها أن تعمل ككيوبتات — المكونات الأساسية للمعلومات الكمية". وتُستخدم الكيوبتات لتخزين المعلومات الكمية ومعالجتها، لذا فهي اللبنات الأساسية لأجهزة الكمبيوتر الكمية، وشبكات الاتصالات الآمنة، وأجهزة الاستشعار الطبية المتقدمة.

لا يزال الآلية الفيزيائية الدقيقة لضربات الليزر هذه تشكل نقطة عمياء حتى الآن. وكانت الطرق القديمة تستخدم حزم أيونات أو إلكترونات، لكن التحكم في الموضع كان محدوداً. ويمكن لليزر استهداف مواضع محددة، لكن الباحثين لم يتمكنوا سوى من التكهن بكيفية انتقال الطاقة داخل الشبكة. ويعد إنشاء الكيوبتات إلى حد كبير عملية تجربة وخطأ. وقال العالم في مختبر أرجون الوطني، هايدن وين (Haidan Wen)، أحد مؤلفي الورقة: "قبل أن تتمكن من تصميم العيوب الكمية بدقة، يجب أن تفهم تماماً ما يفعله الليزر داخل المادة. تتيح لنا هذه التقنية مراقبة هذه العملية وهي تتكشف، لا سيما حركة الذرات بطرق كانت مستحيلة سابقاً".

لحل هذه المعضلة، بنى فريق أرجون كاميرا على المستوى الذري. حيث جمعوا بين ليزر فائق السرعة ومصدر الفوتونات المتقدم في المختبر، القادر على إنتاج حزم أشعة سينية شديدة السطوع. وركّز الفريق هذه الحزمة على بضع مئات من النانومترات، أي ما يعادل تقريباً واحداً في المئة من عرض شعرة بشرية.

مراقبة تغيرات الموجات الصدمية الذرية

تتمكن الأشعة السينية الصلبة من اختراق البلورة مباشرة. وبفضل هذا الاختراق، سجلت النبضات النشاط داخل العينة، وليس على سطحها الخارجي فقط. ويضرب الليزر المادة، وتلتقط ومضات الأشعة السينية المتزامنة رد الفعل الفوري اللاحق. وأظهرت الصور حدوث رد فعلين فيزيائيين مختلفين بالتوازي. يعبر جزء من الطاقة عبر البلورة على شكل موجات صدمية منتظمة. وتنتشر هذه الموجات كما تنتشر التموجات على سطح مطاط مضروب. وفي الوقت نفسه، تنتشر بقية الطاقة ببطء أكبر على شكل حرارة. ويجعل هذا النبض الحراري الذرات القريبة تهتز عشوائياً، قبل أن تستقر الشبكة مرة أخرى.

يُعد كربيد السيليكون بالفعل حجر الزاوية في صناعة رقائق الكمبيوتر التجارية. فالمصانع تعرف بالفعل كيفية إنتاجه على نطاق واسع. لذلك، يُنظر إلى هذه المادة على نطاق واسع باعتبارها أفضل مرشح لإنتاج الأجهزة الكمية على نطاق واسع.

يأمل المهندسون أن تقلل هذه البيانات من الحاجة إلى التجربة والخطأ. ومن خلال رسم خرائط لنقل الطاقة هذا، يهدف الباحثون في النهاية إلى التمكن من وضع كيوبتات فردية بدقة عند إحداثيات محددة عند الطلب. ويخطط الفريق الآن لاختبار طريقة التصوير خاصتهم على مواد كمية أخرى، مما يجعل النماذج الأولية المنتجة في المختبر أقرب إلى خطوط التجميع في المصانع.

إمكانات التطوير المستقبلية للحوسبة الكمية

كشفت هذه الدراسة الآليات الفيزيائية الحاسمة في عملية تشكل الكيوبتات، لا سيما تأثير الليزر على حركة الذرات داخل البلورة. ومن خلال المراقبة في الوقت الفعلي، يتمكن العلماء من اكتساب فهم أعمق لكيفية انتقال الطاقة داخل الشبكة، وهو أمر بالغ الأهمية لتطوير أجهزة الكمبيوتر الكمية. وإذا أمكن تطبيق كربيد السيليكون، بصفته حجر الزاوية للرقائق التجارية، بنجاح في الأجهزة الكمية، فسيؤدي ذلك إلى دفع عملية تسويق التكنولوجيا الكمية بشكل كبير. ولا يمكن لهذه التطورات التقنية أن تعزز كفاءة الحوسبة الكمية فحسب، بل قد تعزز أيضاً الاتصالات الأكثر أماناً والتطبيقات الطبية المتقدمة。