يمكن للعناقيد النانوية الذهبية أن تشحن أجهزة الكمبيوتر الكمومية

وجد الباحثون أن “الذرات الفائقة” للذهب يمكن أن تتصرف مثل الذرات الموجودة في الأنظمة الكمومية ذات المستوى الأعلى، إلا أنها أسهل بكثير في القياس.

يمكن تخصيص هذه المجموعات الصغيرة على المستوى الجزيئي، مما يوفر أساسًا قويًا وقابلاً للضبط للجيل القادم من الأجهزة الكمومية.

مجموعات الذهب كوحدات بناء كمومية قابلة للتطوير

تعتمد أجهزة الكمبيوتر وأجهزة الاستشعار الكمومية وغيرها من التقنيات المتقدمة بشكل كبير على سلوك الإلكترونات، وخاصة الطريقة التي تدور بها. أحد الأساليب الأكثر دقة للأنظمة الكمومية عالية الأداء يستخدم خصائص الدوران للإلكترونات في الذرات الموجودة داخل الغاز. هذه الإعدادات الغازية تقدم استثنائية دقة ولكن من الصعب للغاية توسيع نطاقها إلى أجهزة كمومية أكبر، بما في ذلك أجهزة الكمبيوتر الكمومية الكاملة. أظهر فريق بحث من ولاية بنسلفانيا وولاية كولورادو الآن أن عنقود الذهب يمكنه تقليد سلوك ذرات الطور الغازي المحاصرة، مما يجعل من الممكن الوصول إلى خصائص دوران مماثلة بتنسيق يمكن توسيعه بسهولة أكبر بكثير.

قال كين كنابنبرجر، رئيس القسم وأستاذ الكيمياء في كلية إيبرلي للعلوم بولاية بنسلفانيا وقائد فريق البحث: “للمرة الأولى، نظهر أن العناقيد النانوية الذهبية لها نفس خصائص الدوران الرئيسية مثل الطرق الحديثة لأنظمة المعلومات الكمومية”. “من المثير أنه يمكننا أيضًا معالجة خاصية مهمة تسمى استقطاب الدوران في هذه العناقيد، والتي عادة ما تكون ثابتة في المادة. يمكن تصنيع هذه العناقيد بسهولة بكميات كبيرة نسبيًا، مما يجعل هذا العمل دليلًا واعدًا على مفهوم إمكانية استخدام مجموعات الذهب لدعم مجموعة متنوعة من التطبيقات الكمومية.”

العمل الموصوف في ورقتين منشورتين في ACS العلوم المركزية و مجلة رسائل الكيمياء الفيزيائيةيؤكد سلوك الدوران للمجموعات الذهبية بالتفصيل.

كيف يشكل دوران الإلكترون الأداء الكمي

قال نيت سميث، طالب دراسات عليا في الكيمياء في كلية إيبرلي للعلوم بولاية بنسلفانيا والمؤلف الأول لإحدى الأوراق البحثية: “إن دوران الإلكترون لا يؤثر فقط على التفاعلات الكيميائية المهمة، بل يؤثر أيضًا على التطبيقات الكمومية مثل الحساب والاستشعار”. “إن اتجاه دوران الإلكترون ومحاذاةه فيما يتعلق بالإلكترونات الأخرى في النظام يمكن أن يؤثر بشكل مباشر على دقة وطول عمر أنظمة المعلومات الكمومية.”

يدور الإلكترون حول محوره بطريقة يمكن مقارنتها بدوران الأرض حول محورها المائل بالنسبة للشمس. ومع ذلك، يمكن للإلكترونات أن تدور إما في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة. عندما تدور العديد من الإلكترونات في مادة ما في نفس الاتجاه وتتطابق ميولها، فإنها تصبح مترابطة. تتمتع المادة ذات المستوى القوي من هذه المحاذاة باستقطاب دوراني عالي.

قال سميث: “المواد التي تحتوي على إلكترونات مرتبطة بشكل كبير، مع درجة عالية من استقطاب الدوران، يمكنها الحفاظ على هذا الارتباط لفترة أطول بكثير، وبالتالي تظل دقيقة لفترة أطول بكثير”.

حدود الأيونات المحاصرة والحاجة إلى حلول جديدة

تتضمن الطريقة الرائدة لتحقيق معدلات خطأ منخفضة للغاية في أنظمة المعلومات الكمومية أيونات ذرية محاصرة، وهي ذرات ذات شحنة كهربائية محفوظة في بيئة غازية. في هذه الإعدادات، يمكن تحفيز الإلكترونات إلى حالات ريدبيرج، والتي توفر استقطابات دورانية طويلة الأمد ومحددة بدقة. تسمح هذه الأنظمة أيضًا بوجود الإلكترونات في حالة تراكب، مما يعني أنها يمكن أن تحتل حالات متعددة في نفس الوقت حتى يتم قياسها. التراكب أمر أساسي ل الحوسبة الكمومية.

وقال كنابنبرجر: “إن هذه الأيونات الغازية المحتجزة مخففة بطبيعتها، مما يجعل من الصعب للغاية توسيع نطاقها”. “إن المرحلة المكثفة المطلوبة للمادة الصلبة، بحكم التعريف، تجمع الذرات معًا، مما يفقد تلك الطبيعة المخففة. لذا، فإن التوسع يوفر جميع المكونات الإلكترونية الصحيحة، لكن هذه الأنظمة تصبح حساسة للغاية للتدخل من البيئة. تقوم البيئة بشكل أساسي بخلط جميع المعلومات التي قمت بتشفيرها في النظام، وبالتالي يصبح معدل الخطأ مرتفعًا للغاية. في هذه الدراسة، وجدنا أن مجموعات الذهب يمكن أن تحاكي أفضل خصائص الأيونات الغازية المحتجزة مع الاستفادة من قابلية التوسع. “

العناقيد النانوية الذهبية وإمكاناتها الكمومية

لقد تمت دراسة الهياكل النانوية الذهبية منذ فترة طويلة لتطبيقاتها في مجال البصريات والاستشعار والعلاج والحفز، ولكن سلوكياتها المغناطيسية والمتعلقة بالدوران حظيت باهتمام أقل بكثير. وفي البحث الجديد، ركز الفريق على التجمعات المحمية أحادية الطبقة. وتتكون هذه من نواة ذهبية محاطة بجزيئات تعرف باسم الروابط. ويمكن تعديل هيكل هذه المجموعات بدقة، ويمكن إنتاجها بكميات كبيرة نسبيا.

“ويشار إلى هذه العناقيد باسم الذرات الفائقة، لأن طابعها الإلكتروني يشبه طابعها الإلكتروني ذرة“، ونحن نعلم الآن أن خصائصها المغزلية متشابهة أيضًا. “قال سميث: “لقد حددنا 19 حالة مستقطبة مستقطبة مميزة وفريدة من نوعها تشبه Rydberg والتي تحاكي المواضع الفائقة التي يمكننا القيام بها في الأيونات المخففة المحاصرة في الطور الغازي. وهذا يعني أن المجموعات تتمتع بالخصائص الأساسية اللازمة لتنفيذ العمليات القائمة على الدوران.»

ضبط الاستقطاب الدوراني من خلال التصميم الكيميائي

قام العلماء بقياس استقطاب الدوران في مجموعات الذهب باستخدام نهج مشابه للتقنيات المستخدمة للذرات الفردية. أظهر أحد أنواع العناقيد استقطابًا مغزليًا بنسبة 7%، في حين وصل استقطاب دوران آخر ذو رابطة مختلفة إلى ما يقرب من 40%. وأشار كنابنبرجر إلى أن هذه القيمة الأعلى يمكن مقارنتها بتلك الموجودة في بعض المواد الكمومية الرائدة ثنائية الأبعاد.

قال كنابنبرجر: “يخبرنا هذا أن خصائص دوران الإلكترون ترتبط ارتباطًا وثيقًا باهتزازات الروابط”. “تقليديًا، تتمتع المواد الكمومية بقيمة ثابتة لاستقطاب الدوران والتي لا يمكن تغييرها بشكل كبير، لكن نتائجنا تشير إلى أنه يمكننا تعديل رباط هذه العناقيد الذهبية لضبط هذه الخاصية على نطاق واسع.”

ويخطط الفريق الآن لدراسة كيفية تأثير تغيير ميزات معينة داخل الروابط على استقطاب الدوران، وكيف يمكن استخدام هذه التغييرات لضبط السلوك الكمي.

قال كنابنبرجر: “يسيطر الباحثون في الفيزياء وعلوم المواد بشكل عام على المجال الكمي، وهنا نرى فرصة للكيميائيين لاستخدام مهاراتنا التوليفية لتصميم مواد ذات نتائج قابلة للضبط”. “هذه حدود جديدة في علم المعلومات الكمومية.”

مراجع:

“الخصائص المغناطيسية الفائقة والدورانية المتنوعة لـ Au₁₄₄(SC₈ح₉)₆₀ “العناقيد” بقلم جونيبر فوكسلي، وماركوس توفانيلي، وجين أ. كنابنبرجر، وكريستوفر ج. أكرسون، وكينيث إل. كنابنبرجر الابن، 29 مايو 2025، ACS العلوم المركزية.
DOI: 10.1021/acscentsci.5c00139

“تأثير تخميل هوية يجند على Au₂₅(ريال سعودي)₁₈ سميث، باتريك ج. هربرت، ماركوس أ. توفانيلي، جين أ. كنابنبرجر، كريستوفر ج. أكرسون وكينيث إل. كنابنبرجر الابن، 15 مايو 2025، مجلة رسائل الكيمياء الفيزيائية.
دوى: 10.1021/acs.jpclett.5c00723

بالإضافة إلى سميث وكنابينبيرجر، يضم فريق البحث جونيبر فوكسلي، طالب دراسات عليا في الكيمياء في ولاية بنسلفانيا؛ وباتريك هربرت، الذي حصل على درجة الدكتوراه في الكيمياء من جامعة ولاية بنسلفانيا في عام 2019؛ وجين كنابينبرجر، باحثة في كلية إيبرلي للعلوم بولاية بنسلفانيا؛ وكذلك ماركوس توفانيلي وكريستوفر أكرسون في ولاية كولورادو

تم تمويل هذا البحث من قبل مكتب القوات الجوية للبحث العلمي ومؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.