A Hybrid High-Spin Molecular Magnet for an Integrated Sensing–Storage Quantum Register

في سعيها لبناء حاسوب كمي، يبحث العلماء عن أنظمة صغيرة يمكن التحكم فيها لتكون قادرة على حفظ المعلومات. هذه الأنظمة، المعروفة باسم الكيوبتات (qubits)، هي الوحدات الأساسية للذاكرة الكمية، وهي قادرة على الوجود في حالات متعددة في آن واحد. وبينما يتطلع العديد من الباحثين إلى المواد الصلبة مثل الألماس أو الدوائر فائقة التوصيل لاحتواء هذه الكيوبتات، يتجه آخرون نحو الجزيئات الفردية. توفر الجزيات ميزة فريدة: فهي وحدات ذاتية الاحتواء حيث يمكن لأنواع مختلفة من اللفات الذرية (atomic spins) أن تتعايش معًا. أحد أنواع اللفات، الموجود في الإلكترونات، حساس للغاية للمجالات المغناطيسية، مما يجعله ممتازًا لاستشعار البيئة. ونوع آخر، الموجود في النوى الذرية، يكون أكثر عزلة واستقرارًا، مما يجعله مثاليًا لتخزين المعلومات لفترات طويلة. كان التحدي يكمن في الجمع بين هاتين القدرتين المتمايزتين في جزيء واحد يمكنه استشعار الإشارة ثم قفل تلك المعلومات فورًا قبل أن تتلاشى.

لقد أثبت فريق من الباحثين الآن أن جزيئًا محددًا، وهو عبارة عن قفص كربوني يحتوي على ذرة فوسفور واحدة، يمكن أن يعمل كنظام متكامل. هذا الجزيء، المعروف باسم "فوليرين الفوسفور داخل الهيكل" (phosphorus endohedral fullerene)، يعمل كسجل كمي هجين. نجح الباحثون في تخليق هذا الجزيء باستخدام طريقة أكثر أمانًا وكفاءة من المحاولات السابقة، حيث أنتجوه بكميات تقاس بالجرامات. ثم رسموا الخريطة للهيكل المغناطيسي الداخلي للجزيء، كاشفين عن مجموعة معقدة من ثمانية مستويات طاقة متميزة تشكلت من التفاعل بين الإلكترون ونواة الفوسفور. ومن خلال استخدام نبضات دقيقة من الموجات الميكروية والترددات الراديوية، أظهروا قدرتهم على التحكم في كل انتقال داخل هذا الهيكل. سمح هذا المستوى من التحكم بإنشاء حالة يمكن فيها للجزيء اكتشاف الإشارات المغناطيسية الضعيفة بوضضوح أكبر مما كان عليه من قبل. والأهم من ذلك، أنهم أثبتوا قدرتهم على نقل المعلومات التي جمعها لَف الإلكترون الحساس إلى اللف النووي المستقر، مما يحفظ البيانات لمدة أطول بنحو ألف مرة مما يمكن للإلكترون الاحتفاظ به بمفرده.

بدأت رحلة هذا الاكتشاف بالحاجة إلى طريقة أكثر أمانًا لإنشاء الجزيء. اعتمدت الطرق السابقة على غازات شديدة السمية لإدخال ذرة الفوسفور داخل قفص الكربون، مما شكل مخاطر سلامة كبيرة وحد من الإنتاج. طور الباحثون نهجًا جديدًا يستخدم الفوسفور الأحمر الصلب ممزوجًا برابط بوليمري. قاموا بتأيين هذه المادة الصلبة وقذفها تجاه بخار الكربون، مما سمح للفوسفور بأن يُحبس داخل أقفاص الكربون. هذه العملية الخالية من المخاطر سمحت لهم بإنتاج المادة الخام بمعدل جرامات في اليوم. وبعد تنقية الخليط، أكدوا وجود الجزيء المطلوب باستخدام مطياف الكتلة، الذي أظهر الوزن الدقيق لقفص كربوني يحمل ذرة فوسفور واحدة.

ومع الحصول على الجزيء في أيديهم، توجه الفريق لفهم سلوكه المغناطيسي. تحمل ذرة الفوسفور داخل القفص لَفًا إلكترونيًا ولفًا نوويًا. لَف الإلكترون قوي ويتفاعل مع المجال المغناطيسي المحيط، بينما اللف النووي ضعيف وهادئ. عند وضعه في مجال مغناطيسي، تتفاعل هاتان اللفتان لإنشاء مجموعة من ثمانية مستويات طاقة متميزة، مما يشكل فعليًا نظام ثلاثة كيوبتات داخل جزيء واحد. استخدم الباحثون تقنية تسمى "الرنين البارامغناطيسي الإلكتروني" لسبر هذه المستويات. ووجدوا أن قفص الكربون، رغم كونه واقيًا بشكل عام، يتعرض لتشويه طفيف بسبب جزيئات المذيب المحيطة. هذا التشويه يخلق مجالًا مغناطيسيًا داخليًا دقيقًا يؤدي إلى تقسيم مستويات الطاقة بشكل أكبر، مما سمح للباحثين بمعالجة كل انتقال على حدوه. كانت هذه خطوة حاسمة، حيث إن المحاولات السابقة للتحكم في مثل هذه الأنظمة المعقدة كانت تُعاق غالبًا بعدم القدرة على التمييز بين حالات الطاقة المختلفة.

أظهر الباحثون بعد ذلك قدرتهم على التلاعب بمستويات الطاقة هذه بدقة عالية. طبقوا نبضات ميكروية لتحفيز اللف الإلكتروني ونبضات تردد راديوي لتحفيز اللف النووي. ومن خلال ضبط توقيت هذه النبضات بعناية، تمكنوا من إنشاء حالات كمية معقدة تمتد عبر مستويات طاقة متعددة في وقت واحد. وقاسوا المدة التي يمكن أن تبقى فيها هذه الحالات، ووجدوا أن الجزيء يحافظ على تماسك الكم الخاص به لفترة زمنية طويلة، حتى في درجات الحرارة التي تفشل فيها أنظمة أخرى. سمح هذا الاستقرار بإجراء نوع محدد من القياس يُعرف باسم "تعديل غلاف صدى دوران الإلكترون". في هذه العملية، يعمل الجزيء كمستشعر، حيث يكتشف التقلبات الطفيفة في البيئة المغنية. وجد الباحثون أنه من خلال استخدام الطبيعة متعددة المستويات لَلَف الإلكترون، يمكنهم تعزيز وضوح هذه الإشارة، مما يحسن نسبة الإشارة إلى الضجيج بمعامل قدره 2.4 مقارنة بالطرق القياسية.

كان الإنجاز الأكثر أهمية في الدراسة هو دمج الاستشعار والتخزين. بمجرد أن استشعر لَف الإلكترون بيئة مغناطيسية، قام الباحثون بنقل تلك المعلومات إلى نواة الفوسفور. كان هذا النقل أمرًا بالغ الأهمية لأن لَف الإلكترون سريع ولكنه عابر، بينما اللف النووي بطيء ولكنه مستدام. ومن خلال نقل المعلومات الكمية من الإلكترون إلى النواة، حافظوا على البيانات لفترة أطول بكثير مما كان بإمكان لَف الإلكترون الاحتفاظ به بمفرده. لقد قاسوا الوقت الذي ظلت فيه المعلومات مخزنة في النواة ووجدوا أنه 20.8 مللي ثانية. هذه المدة تبلغ حوالي 1,300 مرة أطول من الوقت الذي يمكن لَلَف الإلكترون أن يحتفظ فيه بالمعلومات بمفرده. تثبت هذه النتيجة أن جزيئًا واحدًا يمكن أن يعمل كسجل كمي كامل، قادر على استشعار العالم وتخزين ذاكرة هذا التفاعل بداخله.

يضع هذا العمل معيارًا جديدًا للأنظمة الكمية الجزيئية. فمن خلال الجمع بين إلكترون عالي اللف ولف نووي في جزيء واحد مصمم كيميائيًا، أنشأ الباحثون منصة متعددة الاستخدامات تجمع بين أفضل خصائص كل منهما. إن قدرة تصنيع هذه الجزيئات بأمان وبكميات كبيرة تفتح الباب لمزيد من الاستكشاف. وتشير قدرة الجزيء على تعزيز حساسية الاستشعار وتمديد أوقات التخزين إلى أن مثل هذه الأنظمة الهجينة قد تلعب دورًا حيويًا في التقنيات الكمية المستقبلية. تؤكد الدراسة أن الإمكانات الكاملة لهذه المغناطيسات الجزيئية تكمية في قدرتها على سد الفجوة بين الاستشعار السريع والذاكرة طويلة الأمد، وكل ذلك ضمن حدود هيكل واحد صغير جدًا.