Three-axis Active Magnetic Compensation with Spatial Feedforward Matrix Decoupling and Hysteresis PI Regulation for Suppressing Zeeman Decoherence of Cold Atom Quantum Memories

في عالم الفيزياء الكمومية الهادئ، يتعلم العلماء كيفية تخزين المعلومات ليس على شرائح السيليكون، بل في سحب من الذرات المبردة إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق. تعمل أنظمة "الذرات الباردة" هذه كبنوك ذاكرة لمستقبل الحوسبة والاتصالات، حيث تحتفظ بحالات كمومية دقيقة يمكنها يوماً ما تشغيل شبكة عالمية من التشفير غير القابل للكسر. ومع ذلك، فإن هذه الذاكرة الذرية هشة للغاية. فتماماً كما يترنح "البلبل" (الدوامة) ويسقط عندما تدفعه نسمة هواء عابرة، فإن المعلومات الكمومية المخزنة في هذه الذرات يسهل تشويهها بأدنى اضطراب مغناطيسي. حتى المجال المغناطيسي للأرض نفسه، الذي يبدو لنا غير مرئي وثابتاً، يمثل عاصفة هادرة بالنسبة لهذه الذرات الحساسة، مما يتسبب في فقدانها للبيانات المخزنة في جزء من الثانية. وللحفاظ على هذه المعلومات آمنة، يجب على الباحثين إنشاء ملاذ يكون فيه المجال المغناطيسي صفرياً تقريباً، مكاناً ساكناً لدرجة تمكن الذرات من الحفاظ على شكلها لأطول فترة ممكنة.

إن تحقيق هذا السكون يمثل تحدياً هندسياً هائلاً. تعتمد الطرق التقليدية على دروع معدنية سميكة لحجب التداخل الخارجي، لكن هذه الدروع ثقيلة ومكلفة، وغالباً ما تحجب أشعة الليزر اللازمة للتحكم في الذرات. وبدلاً من ذلك، يستخدم العلماء ملفات من الأسلاك لتوليد مجالات مغناطيسية معاكسة تلغي مغناطيسية الأرض، تماماً كما تعمل سماعات إلغاء الضوضاء ضد الأصوات. ومع ذلك، فإن هذا النهج يعيبه بعض العيوب؛ فعندما يتم ترتيب ثلاث مجموعات من الملفات للتحكم في المجالات المغناطيسية في ثلاثة أبعاد، فإنها غالباً ما تتداخل مع بعضها البعض؛ إذ قد يؤدي تشغيل الملف الخاص بالاتجاه الرأسي إلى دفع المجال الأفقي عن طريق الخطأ. علاوة على ذلك، فإن المستشعرات المستخدمة لقياس المجال حساسة للغاية لدرجة أنها قد تخلط بين التقلبات الرقمية الضئية والتغيرات الحقيقية، مما يتسبب في اهتزاز النظام والمبالغة في التصحيح، وهو ما يزعج الذرات نفسها التي يحاول النظام حمايتها.

ولحل هذه المشكلة، طور فريق من الباحثين من جامعة الشمال الصينية نظاماً متكاملاً جديداً يجمع بين الدقة الميكانيكية والبرمجيات الذكية لإنشاء بيئة مغناطيسية مستقرة بشكل ملحوظ. لقد بنوا إطاراً واحداً صلباً مصنوعاً من مادة مطبوعة ثلاثية الأبعاد يحمل ثلاث مجموعات من ملفات الأسلاك المربعة في ترتيب صلب ومثالي. يقلل هذا التصميم الفيزيائي من "التسرب" المغناطيسي غير المرغوب فيه بين الاتجاهات المختلفة. لكن الابتكار الحقيقي يكمن في كيفية تفكير النظام؛ فبدلاً من مجرد الاستجابة للأخطاء، يستخدم الحاسوب الذي يتحكم في الملفات خريطة رياضية لكيفية تفاعل الملفات للتنبؤ بالتداخل الخاص بها وإلغائه قبل حدوثه. بالإضافة إلى ذلك، يتضمن البرنامج منطق "التباطؤ" (hysteresis)، وهو نوع من قواعد اتخاذ القرار يخبر النظام بتجاهل التقلبات الصغيرة غير الهامة. وهذا يمنع الملفات من الارتجاف المستمر استجابة لضوضاء المستشعرات، مما يسمح للمجال المغناطيسي بالاستقرار في حالة عميقة وهادئة.

اختبر الباحثون هذا النظام بالبدء بالمجال المغناطيسي الطبيعي لمختبرهم، والذي كان أقوى بمئات المرات من البيئة القريبة من الصفر التي احتاجوا إليها. وعندما قاموا بتشغيل النظام، قام بسحب المجال المغناطيسي بسرعة من مئات الميكروتسلا إلى أقل من ميكروتسلا واحد. وبمجرد وصول المجال إلى هذا الهدف، دخل النظام في وضع "الاحتفاظ"، حيث توقف عن إجراء التعديلات إلا إذا انحرف المجال بشكل كبير. وفي اختبار مستمر دام قرابة اثني عشر دقيقة، ظل متوسط المجال المغناطيسي في مركز الجهاز عند 0.112 ميكروتسلا فقط، ولم يتجاوز أعلى ارتفاع مسجل 0.224 ميكروتسلا. ولوضع ذلك في السياق، فإن المجال المغناطيسي للأرض يبلغ حوالي 50 ميكروتسلا؛ لقد نجح الباحثون في إنشاء منطقة هي أكثر هدوءاً بخمس مئة مرة من العالم خارج مختبرهم. وعلى مدار ما يقرب من ثلاث ساعات، كانت استقرارية هذا المجال عالية جداً لدرجة أن الاختلافات الضئيلة التي تم قياسها بمرور الوقت كانت أقل من خمسة نانوتسلا، وهو مستوى من الدقة يسمح للذاكرة الذرية بالبقاء متماسكة لفترات طويلة.

كما نظر الفريق إلى ما وراء النقطة الواحدة في المركز ليرى مدى تجانس المجال في كامل المساحة التي ستتواجد فيها الذرات. قاموا برسم خريطة للبيئة المغناطيسية عند سبعة وعشرين نقطة مختلفة داخل حجم صغير، مع إعادة بناء شكل المجال في ثلاثة أبعاد. ووجدوا أنه على الرغم من أن المجال لم يكن مسطحاً تماماً في كل مكان، إلا أنه كان متجانساً بشكل استثنائي ضمن الشكل المستطيل المحدد حيث سيتم تخزين سحابة الذرات فعلياً. في هذه المنطقة المحددة، والتي تشبه شكل السيجار بطول عشرة مليمترات وعرض خمسة مليمترات، كان تباين المجال المغناطيسي صغيراً لدرجة أنه استوفى المتطلبات الصارمة للذاكرة الكمومية في 93.7 بالمائة من الحجم. وهذا يعني أنه بالنسبة للغالبية العظمى من المساحة التي تعيش فيها الذرات، فإن البيئة المغناطيسية مستقرة بما يكفي لمنع فقدان المعلومات الكمومية.

يُظهر هذا العمل أنه من خلال التصميم الدقيق للهيكل الفيزيائي للملفات وكتابة خوارزميات تحكم أكثر ذكاءً، من الممكن إنشاء ملاذ مغناطيسي مدمج وعالي الاستقرار دون الحاجة إلى دروع ضخمة وثقيلة. لقد نجح النظام في كبح الضوضاء المغناطيسية التي قد تدمر المعلومات الكمومية، مما يثبت أن مثل هذا الإعداد يمكنه الحفاظ على الظروف الدقيقة المطلوبة لتخزين البيانات في الذرات الباردة. وبينما لاحظ الباحثون أن المجال ليس متجانساً تماماً في جميع الاتجاهات، إلا أن النتائج تظهر أن المنطقة المركزية مستقرة بما يكفي لدعم التخزين طويل الأمد للحالات الكمومية. يوفر هذا الإنجاز مخططاً عملياً لبناء أجهزة ذاكرة كمومية أصغر وأكثر كفاءة، وهي ضرورية لتطوير المكررات الكمومية والشبكات الكمومية المستقبلية. وتشير النتائج إلى أنه باستخدام هذا النهج، يمكن للعلماء إبقاء العالم المغناطيسي هادئاً بما يكفي لتتمكن الذرات من حفظ أسرارها، مما يمهد الطريق لتقنيات كمومية أكثر موثوقية.