Engineering Zeeman-manifold quintets using state-dependent light shifts in neutral atoms

في السعي لبناء آلات يمكنها حل مشكلات تتجاوز قدرة حواسيب اليوم، ينظر العلماء غالبًا إلى أصغر اللبنات الأساسية للطبيعة. يتضمن أحد المسارات الواعدة استخدام الذرات الفردية كوحدات أساسية للمعلومات. وبينما تركز معظم الجهود الحالية على عمل الذرات كمفاتيح بسيطة تكون إما في حالة التشغيل أو الإيقاف، يسعى نهج أكثر تقدمًا لاستخدام ذرات يمكنها الوجود في حالات متعددة في آن واحد. هذا المفهوم، المعروف باسم "الكيوديت" (qudit)، يسمح للذرة الواحدة بحمل معلومات أكثر من مفتاح الحالة الثنائية القياسي، مما قد يجعل الحواسيب الكمومية أكثر قوة وكفاءة. ولإنجاح هذا الأمر، يجب على الباحثين أن يكونوا قادرين على التحكم في هذه الحالات المتعددة بدقة متناهية، عبر تشغيلها وإيقافها أو نقلها بين الحالات دون فقدان المعلومات الدقيقة التي تحملها. ويكمن التحدي في إيجاد طريقة للتمييز بين هذه الحالات المتعددة والمتشابهة والتحكم فيها بشكل فردي باستخدام أدوات سريعة ولطيفة بما يكفي لعدم إزعاج الذرة.

لقد اقترح فريق من الباحثين الآن طريقة عملية لإنشاء والتحكم في هذه الذرات المعقدة ذات الحالات الخمس باستخدام عنصر السترونشيوم، وهو معدن يوجد عادة في الألعاب النارية والتصوير الطبي. يوضح عملهم، المفصل في دراسة جديدة، كيفية هندسة مجموعة محددة من خمسة مستويات طاقة داخل ذرة سترونشيوم واحدة والتحكم فيها باستخدام مزيج من المجالات المغناطيسية والضوء الليزري المضبوط بعناية. ركز الباحثون على حالة مثارة طويلة العمر لذرة السترونشيوم يمكنها الاحتفاظ بطاقتها لعشرات الثواني، مما يوفر نافذة مستقرة للحوسبة. ومن خلال حبس الذرات الفردية في حزم ضوئية مركزة وصغيرة تسمى "الملاقط الضوئية"، خلقوا بيئة محكومة حيث يمكن عزل هذه الذرات والتحكم فيها. ويتمثل جوهر ابتكارهم في تقنية تستخدم مجالاً مغناطيسياً قوياً لفصل مستويات الطاقة الخمسة قليلاً، ثم تستخدم ضوء الحبس نفسه لضبط الفجوات بينها بدقة. وهذا يخلق "عنوانًا" فريدًا لكل حالة من الحالات الخمس، مما يسمح للعلماء باستهدافها واحدة تلو الأخرى باستخدام إشارات التردد الراديوي القياسية، تمامًا كما يضبط الراديو محطة معينة.

لقد أثبت الباحثون رقميًا، من خلال عمليات محاكاة حاسوبية مفصلة، أن هذا النهج يمكن أن يحقق تحكمًا شبه مثالي فوق الحالات الخمس. وأظهروا أنه من الممكن إعداد الذرة في حالة بداية محددة في أقل من ميكروثانية، وهي سرعة حاسمة لأداء العديد من العمليات قبل أن تفقد الذرة طاقتها. وبمجرد إعدادها، يمكن تدوير النظام بين حالاته المختلفة بدقة (fidelity) تبلغ حوالي 99 بالمائة. وقد تم الحفاظ على هذا المستوى العالي من الدقة حتى عند مراعاة العيوب الواقعية، مثل التقلبات الطفيفة في طاقة الليزرات المستخدمة لحبس الذرات. كما كشفت عمليات المحاكاة أن النظام يمكن قراءته بسرعة ودقة؛ فمن خلال نقل حالة الذرة مرة أخرى إلى مستواها الأرضي والتقاط صورة، استطاع الباحثون تحديد النتيجة النهائية لعملية حسابية في أقل من عشرة ميكروثانية. وتوحي دورة التحضير والمعالجة والقراءة السريعة هذه بمسار نحو بناء معالجات كمومية سريعة وموثوقة في آن واحد.

تتمثل الميزة الرئيسية لهذه الطريقة في قدرتها على التعامل مع المجموعة الكاملة من الحالات الخمس كوحدة واحدة متماسكة. وجد الباحثون أنه من خلال ضبط شدة ضوء الحبس وقوة المجال المغناطيسي، يمكنهم ضمان أن موجات الراديو ذات تردد معين لن تؤثر إلا على زوج واحد من الحالات دون إزعاج الحالات الأخرى عن طريق الخطأ. هذه القدرة على الاستهداف الفردي ضرورية لإجراء حسابات معقدة. كما استكشفت الدراسة كيفية التحكم في الذرات في مصفوفة كبيرة، حيث تُحبس العديد من الذرات جنبًا إلى جنب. ومن خلال تخفيف الضوء قليلاً على جميع الذرات باستثناء واحدة، تصور الباحثون وحاكو إمكانية إجراء عمليات على ذرة واحدة دون التأثير على جيرانها، وهي خطوة ضرلة لتوسيع نطاق الحواسيب الكمومية الأكبر. وتوقعت عمليات المحاكاة إمكانية إجراء أكثر من ثلاثمائة عملية على ذرة واحدة خلال مائة مللي ثانية مع الحفاظ على دقة عالية.

يعتمد هذا العمل على الخصائص الفريدة لذرات السترونشيوم، التي تمتلك بنية بسيطة تجعل من السهل نمذجتها والتحكم فيها مقارنة بالعناصر الأخرى. يستخدم الإعداد المقترح مجالاً مغناطيسياً بقوة 100 غاوس لخلق الفصل الأولي بين مستويات الطاقة، وحزمة ليزر بطول موجي 1064 نانومتر لحبس الذرات. يتم استقطاب ضوء الحبس بطريقة معينة لخلق قوة تعتمد على الحالة الداخلية للذرة، وهو الآلية التي تسمتح بالضبط الدقيق للفجوات الطاقية. وحسب الباحثون أنه في ظل هذه الظروف، ستظل الذرات محبوسة لعدة ثوانٍ، مما يوفر وقتًا كافيًا لإجراء حسابات واسعة النطاق. كما تناولوا مسألة التسخين، حيث أظهروا أنه يمكن تبريد الذرات إلى حالة تكاد لا تتحرك فيها، وهو أمر ضروري لمنع الحركة من تشويش التحكم الدقيق المطلوب للعمليات الكمومية.

ورغم أن النتائج المعروضة تستند إلى عمليات محاكاة وليس إلى تجربة فيزيائية، إلا أن المعايير المستخدمة مستمدة من قدرات تجريبية واقعية موجودة بالفعل في المختبرات اليوم. وتشير الدراسة إلى أن التكنولوجيا المطلوبة لبناء مثل هذا النظام هي في المتناول، وتتطلب فقط دمج التقنيات المعروفة لحبس وتبريد ومعالجة الذرات. ويقر المؤلفون بأن العمل المستقبلي سيحتاج إلى معالجة كيفية ربط هذه الذرات الفردية ببعضها البعض لإنشاء حالات متشابكة، وهي خطوة ضرورية للقوة الحوسبية الكمومية الكاملة. كما يقترحون أنه من خلال التزويد المستمر للذرات في المصفوفة، قد يكون من الممكن التغلب على قيود القراءة المدمرة، حيث تؤدي عملية القياس إلى تدمير حالة الذرة. وهذا من شأنه أن يسمح بإجراء حسابات أعمق وأكثر تعقيدًا.

تتجاوز تداعيات هذا البحث مجرد بناء حاسوب أسرع. فالقدرة على التحكم في الحالات الكمومية عالية الأبعاد يمكن أن تؤدي إلى أنواع جديدة من المستشعرات التي تكون أكثر حساسية للمجالات المغناطيسية أو للزمن من الأجهزة الحالية. كما أنها تفتح الباب لمحاكاة الأنظمة الفيزيائية المعقدة التي يصعب نمذجتها بالحواسيب القياسية، مثل سلوك المواد على المستوى الذري. ومن خلال إثبات إمكانية التحكم في نظام مكون من خمس حالات بدقة وسرعة عاليتين، قدم الباحثون مخططًا لجيل جديد من التقنيات الكمومية. وتسلط الدراسة الضوء على السترونشيوم كمنصة واعدة بشكل خاص، حيث يوفر توازنًا بين الاستقرار الطويل والتشغيل السريع الذي يصعب العثور عليه في الأنظمة الذرية الأخرى. ومع استمرار تطور مجال الحوسبة الكمومية، ستكون الأساليب مثل هذه، التي تحول المفاهيم المجردة إلى أنظمة ملموسة وقابلة للتحكم، ضرورية لتحويل الاحتمالات النظرية إلى واقع عملي. ويتضمن المسار المستقبلي صقل هذه التقنيات، واختبارها في المختبر، وفي النهاية توسيع نطاقها لتشمل العديد من الذرات التي تعمل معًا. وتظل القدرة على مثل هذا النظام على إحداث ثورة في كيفية معالجة المعلومات وفهمنا للعالم المادي رؤية مقنعة للمستقبل العلمي.