A Luminescent Organic Triradical as an Optically Addressable Qudit

في السعي لبناء آلات يمكنها حل مشكلات تتجاوز بكثير قدرات حواسيب اليوم، يتجه العلماء نحو أصغر وحدات المعلومات الممكنة. لعقود من الزمن، انصب التركيز على "الكيوبت" (qubit)، وهو مفتاح صغير يمكن أن يوجد في حالتين في آن واحد، تماماً مثل عملة معدنية تدور على طاولة وتكون في حالة "وجه" و"ظهر" معاً حتى تستقر. ومع ذلك، تقدم الطبيعة لوحة غنية أكثر من مجرد خيارين فقط. فكما أن السلم الموسيقي يحتوي على أكثر من نغمتين، يمكن تصميم الأنظمة الكمومية لتضم حالات متعددة في وقت واحد. هذه الوحدات متعددة الحالات، المعروفة باسم "الكيوديت" (qudit)، قد تفتح طرقاً جديدة لمعالجة المعلومات واستشعار العالم بدقة متناهية. ويكمن التحديد في إيجاد مواد يمكنها حمل هذه الحالات المعقدة باستقرار، مع السماح للعلماء أيضاً بقراءة وكتابة المعلومات باستخدام الضوء، وهي طريقة سريعة ودقيقة.

لقد نجح فريق من الباحثين الآن في ابتكار وحدة بناء جزيئية جديدة تقرب هذا المفهوم من الواقع. فقد صمموا جزيئاً عضوياً واحداً مستقراً يعمل كـ "كيوديت" باعث للضوء. يتكون هذا الجزيء من ثلاث مجموعات جذورية (radical groups) متطابقة — وهي هياكل كيميائية ذات إلكترون غير مزدوج — مرتبة حول حلقة مركزية. ومن خلال ربط هذه الأجزاء الثلاثة بطريقة محددة، أجبر العلماء الإلكترونات غير المزدوجة على محاذاة لفاتها (spins) بشكل تعاوني، مما خلق حالة أرضية ذات أربعة مستويات طاقة متميزة بدلاً من المستويين المعتادين. وهذا الهيكل ليس مجرد فضول نظري؛ فهو يتوهج بالضوء عند استثارته، ويكشف لون وتوقيت ذلك التوهج عن الحالة الداخلية للإلكترونات. وقد أثبت الباحثون أنه يمكنهم استخدام الليزر لإعداد الجزيء في حالة معينة، والتحكم فيه بواسطة الموجات الدقيقة، وقراءة النتيجة من خلال انبعاثه الضوئي، مع إمكانية التهيئة والقراءة الضوئية في درجة حرارة الغرفة.

هذا الجزيء، الذي يطلق عليه الباحثون اسم "التري راديكال" (triradical)، مبني عن طريق إلحاق ثلاث مجموعات "تريتيل" (trityl) بحلقة فينيل مركزية. تُعرف مجموعات التريتيل بكونها مستقرة ولها خصائص مغناطيسية فريدة، لكن دمج ثلاث منها في وحدة واحدة متوهجة تطلب تصميماً دقيقاً. استخدم الفريق عملية كيميائية لربط الأجزاء الثلاثة، مع ضمان تباعدها بالمسافة المناسبة للتفاعل دون تدمير استقرار بعضها البعض. وعندما فحصوا الجزيء، وجدوا أنه يمتلك مجموعتين متميزتين من حالات الطاقة: حالة "ثنائية" (doublet) لها تكوينان محتملان، وحالة "رباعية" (quartet) لها أربعة تكوينات. والأهم من ذلك، أن الحالة الرباعية الأرضية تقع في مستوى طاقة أدنى قليلاً من الحالة الثنائية بنحو 1 ميلي إلكترون فولت (meV)، مما يؤدي إلى وجود توزيع شبه متساوٍ بين الثنائيات والرباعيات في درجة حرارة الغرفة. هذا المزيج شبه المتساوي حيوي للغاية لأنه يسمح للنظام بالوصول إلى نطاق أوسع من حالات المعلومات مما قد توفره أي منظومة بسيوة ذات حالتين.

عندما سلط الباحثون ليزر أزرق على الجزيء، امتص الطاقة وبدأ في التوهج. وقد لاحظوا لونين متميزين من الضوء ينبعثان من العينة: توهج عند 633 نانومتر وتوهج أحمر أعمق عند 690 نانومتر. ومن خلال قياس مدة بقاء كل لون، اكتشفوا أن الضوء ذو الطول الموجي 633 نانومتر ناتج عن الحالة الرباعية ويتلاشى بسرعة، بينما الضوء ذو الـ 690 نانومتر ناتج عن الحالة الثنائية ويبقى لفترة أطول، مهيمناً على التألق الضوئي المتأخر. سمح هذا الفصل لهم بالتمييز بين نوعي الحالات ببساطة من خلال لون وتوقيت الضوء. كما وجد الفريق أن بإمكانهم التحكم في الجزيء بواسطة المجالات المغناطيسية؛ فعندما طبقوا مجالاً مغناطيسياً ضعيفاً بقوة 5 ميلي تسلا فقط، تغير سطوع الضوء بنسبة تصل إلى 3 بالمائة. تشير هذه الحساسية إلى أن الجزيء يمكن أن يعمل كمستشعر فعال للغاية للكشف عن التقلبات المغناطيسية الضئيلة في بيئته.

ولإثبات أن الجزيء يمكن أن يعمل كجهاز كمومي، أجرى العلماء سلسلة من الاختبارات لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم التحكم في لفات الإلكترونات. استخدموا ومضة ليزر لإعداد الجزيء في تكوين لف محدد، وهي عملية تُعرف بالتهيئة الضوئية. وفور حدوث الومضة، استخدموا نبضات ميكروويف لسبر حالة الجزيء. ووجدوا أنه يمكن التحكم في اللفات بشكل متماسك (coherently)، مما يعني أن الباحثين يمكنهم توجيه الحالة الكمومية بدقة. وقد حافظ الجزيء على هذه المعلومات لفترة طويلة بشكل مفاجئ، حيث وصل زمن الاسترخاء (spin-lattice relaxation time) إلى أكثر من 150 ميكروثانية، مما يضع حداً أقصى لاستمرار الحالة. وبينما أُجريت تجارب التحكم المتماسك في درجات حرارة منخفضة لإطالة هذه الفترات، إلا أن النتائج تشير إلى أن المادة مرشح واعد لتخزين المعلومات. علاوة على ذلك، أظهروا أنه يمكنهم معالجة الأجزاء المختلفة من الحالة الرباعية بشكل منفصل، وهي قدرة أساسية لاستخدام الجزيء كمعالج متعدد الحالات بدلاً من مجرد مفتاح بسيط للتشغيل والإيقاف.

استكشف الباحثون أيضاً كيف يتصرف الجزيء تحت ظروف مختلفة، مثل درجات الحرارة والمجالات المغنية المتغيرة. ووجدوا أن الفجوة الطاقية بين الحالتين الثنائية والرباعية كانت صغيرة للغاية، حوالي 1 ميلي إلكترون فولت فقط. هذا الفرق الضئيل يعني أن الطاقة الحرارية في درجة حرارة الغرفة كافية لجعل الجزيء يتحرك بين هاتين الحالتين، وهو أمر غير معتاد في الأنظمة الكمومية التي غالباً ما تتطلب درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق لتبقى مستقرة. وأكد الفريق أن سلوك الجزيء طابق نماذجهم النظرية، مما استبعد احتمال أن تكون الشوائب أو التفاعلات الكيميائية غير المكتملة هي المسببة للآثار المرصودة. كما أظهروا أنه يمكن استخدام الجزيء في الرنين المغناطيسي المكتشف ضوئياً (optically detected magnetic resonance)، وهي تقنية تُستخدم فيها الموجات الدقيقة لتغيير الحالة المغناطيسية للجزيء، والتي يتم اكتشافها لاحقاً من خلال التغير في الضوء الذي ينبعث منه. وقد نجحت هذه الطريقة بفعالية في درجة حرارة الغرفة، وهي ميزة كبيرة مقارنة بالعديد من المواد الكمومية الأخرى التي يجب إبقاؤها بالقرب من الصفر المطلق.

يمثل هذا العمل خطوة هامة للأمام في تطوير المواد الكمومية العضوية. فمن خلال إنشاء جزيء يجمع بين الاستقرار، وانبعاث الضوء، والتحكم متعدد الحالات، قدم الباحثون أداة جديدة للاستشعار والحوسبة الكمومية. إن القدرة على قراءة وكتابة المعلومات باستخدام الضوء، مقترنة بمتانة الجزيء في درجة حرارة الغرفة، تفتح آفاقاً لدمج التكنولوجيا الكمومية في الأجهزة اليومية. ورغم أن الجزيء هو حالياً نموذج مخبري أولي، إلا أن مبادئ تصميمه توفر مساراً واضحاً للتحسينات المستقبلية. ويقترح الباحثون أنه من خلال تعديل تناظر الجزيء، يمكنهم فصل مستويات الطاقة بشكل أكبر، مما يجعل التحكم في الحالات الفردية أسهل. هذا الجزيء ليس مجرد مركب كيميائي جديد؛ بل هو برهان على أن السلوك الكمومي المعقد يمكن هندسته في هياكل عضوية بسيطة، مما يقرب حلم الأجهزة الكمومية على المستوى الجزيئي من أرض الواقع.