Coherent Optical Control of a Single Donor Electron Spin

في السعي لبناء إنترنت كمي، يبحث العلماء عن طريقة لتخزين المعلومات في الضوء والمادة. تخيل شبكة تنتقل فيها البيانات كفوتونات، وهي جسيمات الضوء، ولكن يجب أن تتوقف عند عقد محددة لمعالجتها أو تذكرها. ولكي يعمل هذا، تحتاج هذه العقد إلى ذاكرة يمكنها الاحتفاظ بالحالة الكمية لفترة كافية لتكون مفيدة، ومع ذلك تتفاعل مع الضوء بسرعة كافية لإرسال واستقبال المعلومات. أحد المرشحين الواعدين لهذه الذاكرة هو دوران إلكترون واحد. الدوران هو خاصية جوهرية للإلكترون، يتصرف مثل مغناطيس صغير غير مرئي يمكن أن يشير في اتجاهات مختلفة. إذا تمكن العلماء من التحكم في هذا الاتجاه باستخدام الضوء، فيمكنهم إنشاء جسر بين الذاكرة الكمية الثابتة والمعلومات الكمية الطائرة. ومع ذلك، فإن تحقيق هذا التحكم في مادة صلبة أمر صعب؛ فغالباً ما تكون البيئة صاخبة للغاية، مما يؤدي إلى انهيار الحالة الكمية الدقيقة قبل أن يمكن استخدامها. لطالما بحث الباحثون عن مادة توفر إشارات بصرية ساطعة وواضحة مع حماية دوران الإلكترون من فوضى الذرات المحيطة.

لقد أثبت فريق من الباحثين الآن خطوة كبيرة للأمام من خلال ترويض دوران إلكترون واحد محبوس داخل بلورة من سيلينيد الزنك. لقد ركزوا على نوع معين من الشوائب، وهي ذرة كلور منغرسة داخل المادة، والتي تعمل كفخ لإلكترون واحد. يخلق هذا الإعداد نظاماً يكون فيه الإلكترون مرتبطاً بذرة الكلور، مما يشكل بنية مستقرة يمكن التحكم فيها باستخدام الليزر. وقد نجح الباحثون في إظهار قدرتهم على استخدام الضوء لإعداد دوران الإلكترون، والتحكم في اتجاهه بسرعة فائقة، وقراءة حالته النهائية. هذا الإنجاز جدير بالذكر لأنه يجمع بين القدرة على رؤية الإلكترون بوضوح والقدرة على التحكم فيه بشكل متماسك، مما يعني أنه يمكنهم توجيه الدوران دون فقدان المعلومات الكمية الدقيقة التي يحملها.

بدأت الرحلة بإنشاء جهاز صغير. قام العلماء بتنمية طبقة رقيقة من سيلينيد الزنك، وهي مادة شبه موصلة، موضوعة بين طبقات من مادة مماثلة تسمى سيلينيد المغنيسيوم والزنك. داخل هذه الطبقة الرقيقة، أدخلوا ذرات الكلور بكثافة منخفضة جداً لدرجة أنه من الناحية الإحصائية، لن يظهر سوى ذرة واحدة أو اثنتين في عمود صغير نحتوه من المادة. هذا العمود، الذي صُمم على شكل وتد يعلوه عدسة، كان مصمماً لجمع الضوء الخافت المنبعث من إلكترون واحد محبوس عند موقع الكلور. عندما سلطوا الليزر على العينة، لاحظوا لوناً محدداً من الضوء ينبعث من ذرة كلور واحدة، مما أكد أنهم ينظرون إلى نظام معزول واحد. ومن خلال تطبيق مجال مغناطيسي، قاموا بتقسيم مستويات طاقة دوران الإلكترون، مما خلق حالتين متمايزتين يمكن التعامل مع كل منهما على حدة باستخدام الضوء.

لإثبات قدرتهم على التحكم في الدوران، كان على الفريق أولاً تعلم كيفية ضبطه على موضع بداية معروف. استخدموا عملية تسمى الضخ الضوئي، حيث سلطوا ليزراً مضبوطاً على تردد محدد من شأنه أن يحفز الإلكترون فقط إذا كان في حالة دوران معينة. وبينما يمتص الإلكترون الضوء ثم يعيد انبعاثه، تتاح له فرصة للعودة إلى إحدى حالتي الدوران. ومن خلال تكرار هذه الدورة، قاموا فعلياً بتصفية الإلكترونات، تاركين فقط تلك الموجودة في الحالة المرغوبة. وبمجرد إعداد الدوران، قاموا بقياس المدة التي ظل فيها هناك. وجدوا أن الدوران يمكن أن يبقى في حالته لمدة 18.5 ميكروثانية تقريباً قبل أن يتسبب شيء ما في تغييره. والأهم من ذلك، أنهم حددوا أن هذا التغيير لم يكن بسبب انقلاب الدوران من تلقاء نفسه، وهو ما سيكون حداً جوهرياً، بل لأن الإلكترون يهرب أحياناً من فخ الكلور تماماً. هذا التمييز حيوي لأنه يشير إلى أنه إذا تمكنوا من منع الإلكترون من الهروب، ربما عن طريق تعديل المجالات الكهربائية في المادة، فقد يستمر الدوران لفترة أطول بكثير، وربما لعدة ميلي ثوانٍ.

بعد تهيئة الدوران، انتقل الباحثون إلى الجزء الأكثر تحدياً: توجيهه بالضوء. بدلاً من استخدام الليزرات البطيئة والثابتة المستخدمة في الإعداد، أطلقوا نبضات ضوئية قصيرة للغاية، تستمر لأجزاء من تريليون من الثانية فقط. كانت هذه النبضات مضبوطة على تردد يختلف قليلاً عن الرنين الطبيعي للإلكترون، وهي تقنية تسمح للضوء بالتأثير على الدوران دون استثارة الإلكترون فعلياً إلى مستوى طاقة أعلى. ومن خلال ضبط قوة هذه النبضات، تمكنوا من جعل الدوران يدور. وقد أثبتوا ذلك من خلال إنشاء نمط من التذبذبات، المعروف باسم تذبذبات رابي، حيث ينقلب الدوران ذهاباً وإياباً بين حالتيه بإيقاع يمكن التنبؤ به. أثبت هذا قدرتهم على التحكم في الدوران بنفس دقة القرص، حيث يمكنهم تدويره إلى أي زاوية يرغبون فيها.

ولتأكيد أن هذا التحكم كان كمياً ومتماسكاً حقاً، أجروا اختباراً أكثر تعقيداً يسمى تداخل رامزي. في هذه التجربة، طبقوا نبضتين ليزر قصيرتين يفصل بينهما توقف قصير. خلال فترة التوقف، تُرك الدوران ليدور بحرية، مثل الجيروسكوب، تحت تأثير المجال المغناطيسي. وعندما وصلت النبضة الثانية، كشفت عن مقدار دوران الدوران خلال فترة التوقف تلك. أظهرت النتائج نمطاً موجياً واضحاً، مما أثبت أن الدوران حافظ على ذاكرته الكمية طوال العملية. وقاسوا المدة التي استمرت فيها هذه الذاكرة، ووجدوا زمن تماسك يبلغ حوالي 22 نانو ثانية. ورغم أن هذا يبدو سريعاً للغاية، إلا أنه يمثل مدة كبيرة لدوران إلكترون في مادة صلبة، وقد طابق التوقعات النظرية بناءً على التفاعل بين الإلكترون والنوى الذرية المحيطة.

أخيراً، استكشف الفريق البنية الأعمق لهذا النظام من خلال النظر في التفاعل بين الإلكترون ونواة ذرة الكلور نفسها. تمتلك نواة الكلور دورانها الخاص، والذي يعمل مثل مغناطيس صغير يؤثر على الإلكترون. ومن خلال زيادة قوة نبضات الليزر الخاصة بهم، تمكنوا من رصد التأثيرات الدقيقة لهذا التفاعل. وبدلاً من رؤية إشارة واحدة، لاحظوا أربعة ملامح متميزة، تتوافق مع الاتجاهات المختلفة لنواة الكلور. كشفت هذه الملاحظة أن النواة يمكن أيضاً استخدامها كذاكرة، مما قد يمد وقت التخزين لفترة أطول. إن القدرة على رؤية والتحكم في هذه التفاعلات فائقة الدقة تشير إلى أن هذه الذرة الوحيدة يمكن أن تعمل كذاكرة كمية متعددة الطبقات، حيث يعمل الإلكترون كمعالج سريع وتعمل النواة كقرص تخزين طويل الأمد.

يؤسس هذا العمل منصة جديدة للتكنولوجيا الكمية، حيث يظهر أن الذرات المانحة المعزولة في سيلينيد الزنك يمكن أن تعمل ككيوبتات قوية ونشطة بصرياً. لقد أثبت الباحثون أنهم يستطيعون تهيئة، ومعالجة، وقراءة دوران إلكترون واحد بدقة عالية، مع الحفاظ على التماسك اللازم للشبكات الكمية. وبينما لا تزال هناك تحديات، مثل منع الإلكترون من الهروب من الفخ وتمديد زمن التماسك من خلال تنقية المواد، فإن المسار نحو الأمام أصبح واضحاً الآن. ومن خلال الجمع بين الوصول البصري الفعال وذاكرة الدوران طويلة الأمد، تقدم هذه المانحات الفردية مساراً واعداً نحو أنظمة معلومات كمية قابلة للتوسع، محولةً ذرة واحدة في بلورة إلى عقدة وظيفية لإنترنت الكم المستقبلي.