Demonstration of a mobile ion-trap quantum device

تخيل عالماً لا تُحبس فيه أكثر أدوات العلوم الحديثة دقة في أقبية خالية من الاهتزازات، بل يمكن تعبئتها في شاحنة وقيادتها عبر البلاد. هذا هو أفق علوم المعلومات الكمومية، وهو مجال يسعى لتسخير القواعد الغريبة للعالم الذري لبناء حواسيب ومستشعرات أقوى بكثير مما نملكه اليوم. وفي قلب هذه الثورة تكمن الأيونات المحتجزة: وهي ذرات صغيرة مشحونة كهربائياً يتم تثبيتها في مكانها بواسطة مجالات غير مرئية من الكهرباء والمغناطيسية. يستخدم العلماء هذه الأيونات كبتات (bits) للمعلومات، حيث يتلاعبون بها باستخدام الليزر لإجراء الحسابات أو قياس الوقت بدقة مذهلة. لعقود من الزمن، تطلبت هذه التجارب أن تظل الأيونات ساكنة تماماً في مختبر؛ فإذا تحركت المعدات، سينكسر التوازن الدقيق وتتطاير الذرات بعيداً. وقد أبقت هذه المحدودية التكنولوجيا الكمومية مقيدة بمواقع محددة، غير قادرة على الانتقال إلى حيث تكون هناك حاجة ماسة إليها.

لقد اتخذ فريق من الباحثين الآن خطوة كبيرة نحو كسر هذا القيد؛ فقد نجحوا في إثبات أن سحابة من آلاف الذرات المشحونة يمكن الاحتفاظ بها داخل جهاز متخصص أثناء قيادة هذا الجهاز لمسافة عدة كيلومترات في مركبة متحركة. تضمنت التجربة تحميل الذرات في مصيدة خطية — وهي غرفة مبطنة بقضبان معدنية تستخدم موجات الراديو لتعليق الأيونات في الهواء — ثم قيادة الجهاز بأكمله في شاحنة لمسافات بلغت 18.6 كيلومتراً و63.4 كيلومتراً. ظلت الأيونات محتجزة بأمان لمدة 15 دقيقة و45 دقيقة على التوالي، صامدة أمام مطبات ومنعطفات الطريق دون أن تفلت. يثبت هذا الإنجاز أن التكنولوجيا المستخدمة لبناء الحواسيب والمستشعرات الكمومية يمكن جعلها متنقلة، مما يفتح الباب أمام تجارب كانت مستحيلة سابقاً، مثل اختبار القوانين الأساسية للفيزياء أثناء الحركة، أو نقل الجسيمات الغريبة بين المرافق البحثية المختلفة.

بدأت الرحلة بجهاز صُمم خصيصاً لتلبية المتطلبات الصارمة للعلوم الكمومية. يمثل قلب الجهاز "مصيدة بول" خطية، وهي غرفة بحجم صندوق أحذية كبير تقريباً، مكونة من أربعة قضبان معدنية متوازية. داخل هذه الغرفة المعزولة مفرغة الهواء، أنشأ الباحثون بيئة مستقرة حيث يمكن للمجالات الكهربائية تثبيت الذرات في مكانها. ولإدخال الذرات إلى هناك، استخدموا الليزر لضرب نقطة صغيرة على أحد الأقطاب الكهربائية المعدنية، مما أدى إلى تحرير شظايا مجهرية من المواد أصبحت هي الأيونات المشحونة المطلوبة للتجربة. وبمجرد دخول الأيونات، تم إغلاق المصيدة، وثُبِّت الجهاز بأكمله على رف مليء بمصادر الطاقة وأجهزة الكمبيوتر ومعدات المراقبة، ثم حُمِّل هذا الرف في شاحنة باستخدام رافعة شوكية وثُبِّت بإحكام في الأرضية بواسطة أحزمة لمنع انزلاقه.

وضع الباحثون هدفهم لمعرفة ما إذا كانت الأيونات ستصمد خلال الرحلة. في الاختبار الأول، قاموا بتحميل الأيونات عند استراحة بالقرب من الحدود بين النمسا وإيطاليا. وبينما كانت الشاحنة ثابتة، تأكدوا من أن الأيونات محتجزة. ثم قادوا الشاحنة لمسافة 18.6 كيلومتراً على طول طريق سريع، مع التنقل بين المسارات المستقيمة والمنحنيات، قبل التوقف في وجهة المقصودة بعد 15 دقيقة. وطوال فترة القيادة، عملت المعدات بالبطارية، وحافظ الباحثون على تركيز كاميرا على كاشف في نهاية المصيدة لمراقبة أي علامة على هروب الأيونات. وعندما توقفوا وفتحوا المصيدة، وجدوا أن الغالبية العظمى من الأيونات لا تزال موجودة؛ حيث عدّوا حوالي 3,800 أيون، وهو رقم أظهر أن الجهاز احتفظ بها تماماً كما لو كان في مختبر هادئ وثابت.

وتشجيعاً لهذا النجاح، دفع الفريق بالقدرات إلى أقصى حدودها. ففي تجربة ثانية، قاموا بتحميل الأيونات بالقرب من بلدة في ألمانيا وقادوا لمسافة 63.4 كيلومتراً، في رحلة استغرقت 45 دقيقة. هذه المرة، قطعت الشاحنة مسافة أطول، مما عرض الأيونات لمزيد من الوقت أثناء الحركة. وعندما توقفوا أخيراً وفحصوا الكاشف، وجدوا حوالي 1,170 أيوناً متبقياً. ورغم أن هذا العدد كان أقل من الرحلة القصيرة، إلا أن الانخفاض في الأعداد كان تماماً كما توقعه العلماء بناءً على مدة بقاء الأيونات طبيعياً في المصيدة؛ إذ كان الفقد ناتجاً عن مرور الوقت، وليس بسبب حركة المركبة. أكدت النتائج أن الأيونات لم تكن تهتز وتخرج من مكانها بفعل حركة الشاحنة، بل كانت ببساطة تشيخ بالمعدل نفسه الذي تشيخ به في المختبر الثابت.

يمثل هذا العمل تحولاً جوهرياً في كيفية استخدام هذه الأجهزة الكمومية. ففي السابق، كانت الطريقة الوحيدة لنقل الجسيمات المشحونة عبر مسافات طويلة هي استخدام نوع مختلف من المصائد التي تعتمد على المجالات المغناطيسية، وهي مجالات ثقيلة ويصعب استخدامها لإجراء العمليات الكمومية الدقيقة التي يحتاجها العلماء. أما الجهاز المستخدم في هذه الدراسة فيعتمد على مجالات كهربائية ذات تردد راديوي، وهي المعيار المستخدم في أكثر الحواسيب والشبكات الكمومية تقدماً. ومن خلال إثبات أن هذه التكنولوجيا القياسية يمكن أن تعمل أثناء الحركة، أظهر الباحثون أن الأجهزة الكمومية المتنقلة أمر ممكن. ويتضمن الجهاز الذي بنوه صماماً خاصاً قد يسمح للعلماء يوماً ما بتحميل أنواع مختلفة من الذرات، أو حتى جسيمات غريبة مثل المادة المضادة، مباشرة في المصيدة أثناء انتقالها.

إن تداعيات هذه القدرة على التنقل واسعة النطاق. فإذا أمكن نقل المستشعرات الكمومية، فيمكن استخدامها لقياس الجاذبية أو المجالات المغناطيسية في مواقع نائية، أو لاختبار النظريات حول كيفية سلوك الزمان والمكان تحت تأثير التسارع. كما أن القدرة على نقل الجسيمات الغريبة بين المختبرات قد تسمح للعلماء بدراسة المادة المضادة في بيئات بعيدة عن الأوساط عالية الطاقة والصاخبة في معجلات الجسيمات. وبينما ركزت التجربة الحالية على إبقاء الأيونات محتجزة، فإن الخطوة المنطقية التالية لهذا المجال هي إثبات أن هذه الأجهزة المتحركة يمكنها أيضاً تبريد الأيونات وإجراء عمليات كمومية معقدة أثناء القيادة. أما الآن، فقد وضع الباحثون حجر الأساس: الذرات يمكنها البقاء في مكانها، حتى عندما يتحرك العالم من حولها.