🔬 atomic physics

A metastable state in $\mathrm{Yb}^+$ with lifetime greater than 10 minutes

تُقدم هذه الورقة البحثية قياساً مباشراً لعمرٍ خالٍ من التصادمات مدته 17.8 دقيقة للحالة شبه المستقرة ${}^3[11/2]_{9/2}^o$ في أيونات $\mathrm{Yb}^+$ ، جنباً إلى جنب مع تحديد انتقال إعادة ضخ عند طول موجي 701 نانومتر وتوصيف الإخماد التصادمي، مما يثبت جدوى هذه الحالة لآليات الساعات الذرية ومعالجة المعلومات الكمومية.

المؤلفون الأصليون: Hassan Farhat, William Liu, Wesley C. Campbell

نُشر 2026-09-10

📖 4 دقيقة قراءة☕ قراءة في استراحة قهوة

CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: Hassan Farhat, William Liu, Wesley C. Campbell

البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل

في عالم الفيزياء الذرية الهادئ، يعمل العلماء مع أصغر اللبنات الأساسية للمادة الممكنة: ذرات منفردة جُردت من إلكترون، مما تركها كأيونات موجبة الشحنة. يمكن اصطياد هذه الأيونات وتثبيتها في مكانها، ليس بواسطة جدران مادية، بل عبر أقفاص غير مرئية مصنوعة من مجالات كهربائية ومغناطيسية. وبمجرد احتجازها، يمكن تبريدها إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، حيث تتوقف عن الاهتزاز وتصبح ساكنة تماماً. هذا السكون يسمح للباحثين بفحص البنية الداخلية للذرة بدقة متناهية. أحد أهم الأهداف في هذا المجال هو العثور على حالات للذرة تستمر لفترة طويلة جداً دون تغير. تُسمى هذه "الحالات شبه المستقرة". فكر فيها ككرة تستقر في وادٍ عميق وضيق؛ يستغرق الأمر وقتاً طويلاً حتى تتدحرج الكرة خارج الوادي، مما يعني أن الذرة تبقى في تلك الحالة المحددة لدقائق أو حتى ساعات. مثل هذه الحالات طويلة العمر هي حجر الزاوية لأدق الساعات في العالم، وهي ضرورية لمستقبل الحوسبة الكمومية، حيث يجب تخزين المعلومات دون أن تتلاشى.

لقد اكتشف فريق من الباحثين في جامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس، الآن حالة جديدة طويلة الأمد بشكل استثنائي في أيون الإيتربيوم، وهو معدن ثقيل يُستخدم غالباً في هذه التجارب. ومن خلال احتجاز أيونات منفردة ومراقبتها بعناية، وجدوا أن حالة مثارة لأيون الإيتربيوم يمكن أن تستمر لما يقرب من ثمانية عشر دقيقة دون أن تنهار عائدة إلى حالتها الطبيعية. ويعد هذا إنجازاً كبيراً لأن معظم الحالات الذرية المثارة تتلاشى في جزء من الثانية. لقد قاس الباحثون هذا الوقت مباشرة، عبر مراقبة المدة التي بقي فيها الأيون في هذه الحالة الخاصة قبل أن يؤدي تصادم عشوائي مع جزيء غاز شارد إلى إخراجه منها. وحتى في غرفة الفراغ الخاصة بهم، حيث الهواء أرق من الغلاف الجوي لكوكب المريخ، تحدث هذه التصادمات بين الحين والآخر. ومن خلال قياس كيفية تغير طول العمر مع تعديل الضغط، حسبوا أنه في حالة وجود فراغ مثالي، خالٍ من أي تصادمات، فإن الأيون سيبقى في هذه الحالة لمدة 17.8 دقيقة. هذه المدة طويلة بما يكفي لتكون مفيدة لبناء ساعات ذرية متطورة أو لتخزين المعلومات الكمومية، والتي تتطلب الحفاظ على الحالة الدقيقة للذرة لفترات ممتدة.

ولإيجاد هذه الحالة، استخدم العلماء طريقة ذكية تتضمن بلورة صغيرة مكونة من ثلاثة أيونات فقط. فقد رتبوا هذه الأيونات في خط، ثم استخدموا مجالات كهربائية لخلق وضع يمكن فيه للأيون الأوسط أن يستقر في أحد موضعين مستقرين، أعلى أو أسفل خط المركز قليلاً. يعمل هذا الإعداد كجهاز حساس لقياس الضغط. فعندما يصطدم جزيء غاز شارد بالبلورة، فإنه يعطي الأيون الأوسط دفعة صغيرة، مما يجعله يقفز، أو "ينتقل"، بين الموضعين. ومن خلال عد عدد مرات حدوث هذه القفزات، استطاع الفريق تحديد عدد جزيئات الغاز الموجودة في الغرفة في أي لحظة بدقة. ثم قاموا بملء الأيونات بالحالة الخاصة طويلة العمر وراقبوا المدة التي ظل فيها الأيون هناك قبل أن يجبره تصادم ما على الخروج. وكلما طالت مدة بقاء الأيون، قلّت التصادمات، وأصبحت قياساتهم للعمر الطبيعي لهذه الحالة أكثر دقة.

كما حلّ الباحثون مشكلة عملية غالباً ما تعيق التجارب المتعلقة بالحالات طويلة العمر: وهي كيفية إعادة الذرة إلى حالتها الطبيعية بمجرد انتهاء التجربة. فإذا علقت ذرة في حالة طويلة العمر، فإنها تتوقف عن التوهج، مما يجعلها غير مرئية لأجهزة الكشف المستخدمة لقراءة النتائج. وقد حدد الفريق لون ليزر محدد، وهو ضوء أحمر عميق بطول موجي 701 نانومتر، يمكن أن يعمل كشعاع "إنقاذ". يقوم هذا الليزر بدفع الأيون بلطف من الحالة طويلة العمر إلى حالة أخرى ذات طاقة أعلى، والتي تعود طبيعياً إلى دورة التبريد العادية. وهذا يسمح للباحثين بإعادة ضبط التجربة بسرعة وقراءة النتائج دون فقدان الذرة. وقد قاسوا التردد الدقيق لليزر الإنقاذ هذا لأنواع مختلفة من ذرة الإيتربيوم، مؤكدين أن هذا المسار يعمل بشكل موثوق.

إن تداعيات هذا العمل تمتد إلى ما هو أبعد من مجرد قياس الوقت. فالحالة المحددة التي درسها الفريق تمتلك بنية داخلية معقدة يمكن استخدامها لحماية المعلومات من الأخطاء. في عالم الحوسبة الكمومية، تكون المعلومات هشة وسهلة الفساد بسبب البيئة المحيطة. ومع ذلك، يمكن تصميم هياكل ذرية معينة لتكون مقاومة طبيعياً لهذه الأخطاء. توفر حالة أيون الإيتربيوم الجديدة منصة واسعة ومتينة لمثل هذه الحماية من الأخطاء، مما قد يسمح ببناء حواسيب كمومية أكثر قوة وموثوقية. وقد أكد الفريق أن هذه الحالة لا تمتلك مسارات خفية وسريعة للتحلل من شأنها إفساد فائدتها، مما يجعلها مرشحاً رئيسياً للتقنيات المستقبلية. ومن خلال إثبات أن هذه الحالة يمكن أن تستمر لما يقرب من ثمانية عشر دقيقة، وإظهار كيفية التحكم بها باستخدام الليزر، فتح الباحثون باباً جديداً لاستخدام أيونات الإيتربيوم في الجيل القادم من الأدوات الدقيقة والآلات الكمومية.

ملخص تقني: حالة شبه مستقرة في أيون الإيتربيوم (Yb+) بعمر يتجاوز 10 دقائق

المشكلة والسياق
تُعد أيونات الإيتربيوم (Yb+) المحتجزة منصات متعددة الاستخدامات لمعايير التردد البصري ومعالجة المعلومات الكمومية. وبينما توفر حالة $2F_{7/2}$ في النظائر الفردية ( $^{171}$ Yb+، $^{173}$ Yb+) كيوبرتات (qubits) شبه مستقرة، ركزت الجهود النظرية والتجريبية الأخيرة على توسيع نطاق الزخم الزاوي ( $J$ ) لتنفيذ أكواد تصحيح الخطأ الكمومي (QEC) المتقدمة. تتطلب هذه الأكواد غالبًا حالات ذات $J$ كبير ( $J > 3$ إلى $J > 10$ ) لزيادة مسافة الكود وكبح الأخطاء المنطقية. ومع ذلك، فإن العديد من حالات $J$ العالية في Yb+ تمتلك مسارات اضمحلال ثنائي قطب مغناطيسي (M1) تحد من فائدتها للتخزين طويل الأمد. وقد تم تحديد الحالة $3[11/2]^o_{9/2}$ (عند 30,224 سم $^{-1}$ ) كمرشح رئيسي لنطاق كيوبرت إضافي لأنها تفتقر إلى مسارات اضمحلال M1 إلى حالات أخرى مرتبطة بـ $J$ - $K$ ، مما يوفر نظريًا عمرًا إشعاعيًا طويلًا مناسبًا للذاكرة الكمومية أو العمليات الزمنية (clockwork). وقبل هذا العمل، كان من الضروري التحقق التجريبي المباشر من عمر هذه الحالة وتطوير آليات تحكم عملية (مثل إعادة الضخ - repumping) للتحقق من جدواها.

المنهجية
أجرى المؤلفون مطيافية الليزر وقياسات العمر على أيونات Yb+ المحتجزة ( $^{171}$ Yb+، $^{172}$ Yb+، و $^{174}$ Yb+) في مصيدة بول (Paul trap) تعمل بالترددات الراديوية مع مجال مغناطيسي قدره 4.00 G.

تحضير الحالة: تم تدوير الأيونات بين الحالة الأرضية ( $2S_{1/2}$ ) والحالة شبه المستقرة $2F_{7/2}$ عبر انتقال رباعي الأقطاب الكهربائية (E2) $2S_{1/2} \leftrightarrow 2D_{5/2}$ . ثم نُقل التعداد إلى الحالة المستهدفة $3[11/2]^o_{9/2}$ باستخدام ليزر رنيني على انتقال E2 $2F_{7/2} \leftrightarrow 3[11/2]^o_{9/2}$ .
قياس العمر: تم تحديد العمر الخالي من التصادم عن طريق مراقبة "القفزات الكمومية" حيث تعود الأيونات من حالة $3[11/2]^o_{9/2}$ المخزنة إلى دورة التبريد. ولعزل العمر الإشعاعي عن الإخماد التصادمي (collisional quenching)، استخدم المؤلفون مانومتر بلورة كولوم (Coulomb-crystal manometer) ثنائي الاستقرار. تم تكوين بلورة مكونة من ثلاثة أيونات في حالة "زيجزاج" (zig-zag) متعرجة، حيث يقفز الأيون المركزي بين موضعين مستقرين ("zig" و "zag") عند التصادم مع الغاز الخلفي. ومن خلال قياس معدل القفز ( $\Gamma_h$ ) كوكيل للضغط المحلي وربطه بزمن المكوث الملحوظ في الحالة شبه المستقرة، استنتج المؤلفون العمر الخالي من التصادم ( $\tau_0$ ) عند الوصول إلى الحد $\Gamma_h \to 0$ .
إعادة الضخ والمطيافية: لمعالجة العمر الطويل للحالة شبه المستقرة، بحث المؤلفون في مسار إعادة الضخ. حددوا وحركوا انتقال $3[11/2]^o_{9/2} \leftrightarrow 3[7/2]^o_{5/2}$ عند طول موجي 701 نانومتر. وتضمحل الحالة المثارة $3[7/2]^o_{5/2}$ عبر قنوات ثنائية القطب الكهربائي (E1) إلى حالتي $2D_{3/2}$ و $2D_{5/2}$ ، واللتين يتم إعادة ضخهما بكفاءة في دورة التبريد القياسية. كما تم رسم هيكل البنية فائقة الدقة لـ $^{171}$ Yb+ لتحديد معاملات البنية فائقة الدقة $A$ .

النتائج الرئيسية

العمر الإشعاعي: بلغ العمر الإشعاعي الخالي من التصادم لحالة $3[11/2]^o_{9/2}$ المقاس 17.8(6) دقيقة. وتتجاوز هذه القيمة عتبة الـ 10 دقائق المطلوبة للعديد من تطبيقات المعلومات الكمومية، وهي متسقة مع الحسابات النظرية الأخيرة (على الرغم من أن القيمة النظرية المذكورة هي 40.93 دقيقة، إلا أن الحد الأدنى التجريبي قوي).
ترددات الانتقال: قاس المؤلفون ترددات انتقال $2F_{7/2} \leftrightarrow 3[11/2]^o_{9/2}$ لكل من $^{172}$ Yb+ (263.985 96(2) THz) و $^{174}$ Yb+ (263.983 92(2) THz). كما تم قياس ترددات انتقال إعادة الضخ $3[11/2]^o_{9/2} \leftrightarrow 3[7/2]^o_{5/2}$ لتكون 427.898 78(2) THz لـ $^{172}$ Yb+ و 427.898 86(2) THz لـ $^{174}$ Yb+.
معاملات البنية فائقة الدقة: تم تحديد معامل البنية فائقة الدقة $A$ لحالة $3[11/2]^o_{9/2}$ في $^{171}$ Yb+ ليكون 389(5) ميجاهرتز. وبالنسبة لحالة $3[7/2]^o_{5/2}$ ، تم قياس المعامل ليكون −310(10) ميجاهرتز.
الإخماد التصادمي: باستخدام مانومتر البلورة ثنائي الاستقرار، لاحظ المؤلفون أن الإخماد التصادمي لنطاق $3[11/2]^o_{9/2}$ بواسطة الغاز الخلفي أكثر كفاءة من حالة $2F_{7/2}$ ، ومع ذلك فإن العمر عند الضغط الأساسي للجهاز لا يزال يتجاوز 10 دقائق.

الأهمية والادعاءات
يؤكد هذا البحث أن حالة $3[11/2]^o_{9/2}$ هي نطاق كيوبرت قابل للتطبيق وطويل العمر لأيونات Yb+ المحتجزة. إن العمر الموضح الذي يقارب 18 دقيقة كافٍ للاستخدام في الساعات الذرية ومعالجة المعلومات الكمومية. كما أن النجاح في تحديد ومعايرة انتقال إعادة الضخ عند 701 نانومتر يوفر آلية لاستعادة التعداد بسرعة، وهو أمر ضروري لقياسات عدم التدمير الكمي (QND) للبنية الفرعية داخل النطاق شبه المستقر، وللقراءة الفعالة في تطبيقات الساعة أو الكيوبرت.

يدعي المؤلفون أن هذا العمل يتيح تشغيل كيوبر البنية فائقة الدقة المتطور في $^{171}$ Y b+ بسهولة نسبية في التنفيذ، نظرًا لسهولة الوصول إلى الانقسام فائق الدقة للترددات الراديوية (1.94(2) جيجاهرتز) وعمره الطويل. علاوة على ذلك، يعزز نطاق $3[11/2]^o_{9/2}$ مخطط "omg" الحالي من خلال توفير نطاق كيوبر معزول بصريًا أثناء التشغيل النشط. وفي النظائر الزوجية، يوفر هذا النطاق منصة لتشفير "spin-cat"، حيث تُعرف الحالات الحسابية على حالات الامتداد (stretch states) ( $m_J = \pm 9/2$ )، مما قد يسمح بكبح الأخطاء المنطقية التي تتناسب أسياً مع الزخم الزاوي. ويؤكد هذا العمل أن حالة $3[11/2]^o_{9/2}$ مورد حاسم لتوسيع قدرات الأنظمة المعتمدة على الأيونات المحتجزة في القياس الدقيق وتصحيح الخطأ الكمومي.

أبحاث مشابهة