Molecular spin qubits in a van der Waals bottle

غالبًا ما تبدأ رحلة بناء حاسوب كمي بمشكلة بسيطة ومحبطة: وهي أن البتات الكمية، أو الكيوبتات (qubits)، التي تحمل المعلومات هشة للغاية. في العالم الكمي، يمكن للجسيم أن يوجد في حالة تراكب، حيث يحمل احتمالات متعددة في آن واحد، ولكن أدنى لمسة من بيئته — مثل اهتزاز عابر، أو مجال مغناطيسي قريب، أو اصطدام بسطح ما — يمكن أن تؤدي إلى انهياره إلى حالة واحدة عادية. يُسمى هذا الفقدان للمعلومات بـ "فقدان الترابط" (decoherence)، وهو العائق الأساسي الذي يمنع العلماء من إنشاء آلات كمية موثوقة. وبينما قام الباحثون ببناء كيوبتات من ذرات محتجزة أو دوائر فائقة التوصيل، هناك اهتمام متزايد باستخدام الجزيئات الفردية ككيوبتات. هذه الكيوبتات الجزيئية المغزلية صغيرة الحجم، وقابلة للضبط كيميائيًا، ويمكن هندستها بدقة ذرية. ومع ذلك، فإن وضعها داخل جهاز صلب عادة ما يدمر حالتها الكمية الدقيقة لأن المادة المحيطة بها تخلق الكثير من الضجيج. لقد كان التحدي يكمًا في إيجاد طريقة لإيواء هذه الجزيئات الهشة داخل هيكل صلب دون السماح للهيكل بسحق طبيعتها الكمية.

لقد وجد فريق من الباحثين الآن حلاً من خلال النظر إلى البنية الفريدة للمواد ثنائية الأبعاد. فقد اكتشفوا أنه من خلال حجز الكيوبتات الجزيئية داخل الفجوات المجهرية بين طبقات بلورات معينة، استطاعوا حماية الجزيئات من البيئة وإطالة الوقت الذي تظل فيه مترابطة بشكل كبير. استخدم الفريق جزيئًا يسمى "كوبالتوسين" (cobaltocene)، والذي يحتوي على ذرة كوبالت واحدة ذات مغزل مغناطيسي، كعينة اختبار. قاموا بإدخال هذه الجزيئات في فجوات نوعين مختلفين من المواد البلورية، وهما ثاني كبريتيد القصدير (tin disulfide) وثيوفوسفات الكادميوم (cadmium thiophosphate)، واللذان يتماسكان بقوى ضعيفة بدلاً من الروابط الكيميائية القوية. هذه الطريقة، المعروفة باسم "الحجز عبر قوى فان دير فالس" (van der Waals confinement)، سمحت للجزيئات بالانزلاق داخل الطبقات البلورية دون تكوين روابط كيميائية مدمرة. وبمجرد دخولها، أُجبرت الجزيئات على اتخاذ ترتيب محدد ومنظم، مما خلق فعليًا "زجاجة" تحميها من الاهتزازات العشوائية والتفاعلات التي عادة ما تتسبب في تلاشي المعلومات الكمية.

كانت نتائج هذا الحجز مذهلة. فعندما تُركت جزيئات الكوبالتوسين دون حجز، كانت حالتها الكمية تستمر لبضع ميكروثوانٍ فقط قبل أن تتلاشى. ولكن عند وضعها داخل الفجوات البلورية، زاد عمرها بأكثر من مائتين مرة. وفي الحالات الأكثر نجاحًا، حافظت الجزيئات على حالتها الكمية لأكثر من ميلي ثانية، وهو تحسن هائل يقربها من الأطر الزمنية اللازمة للحوسبة العملية. وقد حدد الباحثون أن هذه الحماية جاءت من الطريقة التي غيرت بها الطبقات البلورية مشهد الطاقة الداخلي للجزيء؛ إذ غيرت المساحة الضيقة للفجوة كيفية اهتزاز الجزيء وحركة إلكتروناته، مما أدى فعليًا إلى إسكات المسارات المحددة التي تستنزف الطاقة من المغزل عادةً. كان الأمر كما لو أن الطبقات البلورية تعمل كغرفة عازلة للصوت، تحجب الضجيج الذي يعطل الإشارة الكمية عادةً.

بالإضافة إلى مجرد إطالة عمر الكيوبت، فرض الحجز أيضًا على الجزيئات الاصطفاف بطريقة دقيقة ومتوقعة. وباستخدام تقنية تسمى "الرنين المغناطيسي الإلكتروني" (electron paramagnetic resonance)، والتي تقيس كيفية استجابة المغازل المغناطيسية لموجات الراديو، لاحظ الفريق أن الجزيئات تقف منتصبة في توجه موحد، بدلاً من التقلب العشوائي. هذا الترتيب المنظم أمر بالغ الأهمية لبناء جهاز كمي وظيفي، لأنه يسمح للعلماء بمعالجة والتحكم في الكيوبتات الفردية بدقة عالية. كما كشونت الدراسة أن الجزيئات شكلت نمطًا متكررًا يشبه الشبكة داخل الطبقات البلورية، مما خلق "شبكة فائقة" (superlattice) حيث يستقر كل كيوبت في بيئة متطابقة. ويشير هذا التجميع الذاتي إلى أن هذه الطريقة يمكن توسيع نطاقها لإنشاء شبكات كبيرة ومنظمة من الكيوبتات، وليس مجرد أمثلة معزولة.

بحث الباحثون أيضًا عن سبب سلوك الجزيئات بشكل مختلف داخل البلورة. ووجدوا أن الحجز غير التوازن بين القوى المغناطيسية الداخلية للجزيء وتفاعله مع الذرات المحيطة. في الحالة غير المحجوزة، كانت إلكترونات الجزيء في حالة مختلطة وغير مستقرة مما جعل من السهل تسرب الطاقة للخارج. أما داخل البلورة، فقد أجبرت المساحة الضيقة الإلكترونات على اتخاذ حالة أكثر استقرارًا ونقاءً، مما جعل من الصعب جدًا على البيئة أن تزعجها. كان هذا التغيير في البنية الإلكترونية هو المفتاح لهذا التحسن الكبير في الأداء. وقد أكد الفريق أن الجزيئات ظلت سليمة كيميائيًا وأن البلورات المضيفة لم تتدخل في الخصائص المغناطيسية للكيوبتات، باستثناء توفير الحماية اللازمة.

يُظهر هذا العمل أن الواجهة بين الجزيء والمادة الصلبة لا يجب أن تكون مصدرًا للتدمير. فمن خلال التصميم الدقيق للمساحة التي يقطن فيها الجزيء، يمكن للعلماء تحويل البيئة التي قد تكون مدمرة إلى بيئة واقية. وتشير الدراسة إلى إمكانية تطبيق هذا النهج على أنواع أخرى من الكيوبتات الجزيئية، مما يوفر استراتيجية عامة لدمج الأنظمة الكمية الهشة في أجهزة صلبة ومتينة. إن القدرة على وضع الكيوبتات في مصفوفة محددة ومنظمة داخل مادة ثنائية الأبعاد تفتح الباب لبناء دوائر كمية معقدة تجمع بين مرونة الكيمياء الجزيئية واستقرار الهندسة في الحالة الصلبة. ورغم أن هذه التكنولوجيا لا تزال في مراحلها الأولى، فإن إثبات إمكانية هندسة الترابط الكمي من خلال الحجز المكاني يمثل خطوة مهمة نحو الأمام في تطوير التقنيات الكمية المستقبلية.