الفيزيائيون من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا الولايات المتحدة الأمريكية (NIST) أظهرت واحدة من أكثر الطرق دقة للتحكم في جزيء واحد اليوم. لقد تمكنوا من التحكم في الحالة الدورانية لأيون أحادي هيدريد الكالسيوم الجزيئي (CaH⁺) بمعدل نجاح قدره 99.8%. تفتح النتيجة إمكانيات جديدة للحوسبة الكمومية والكيمياء الدقيقة والبحث عن تأثيرات تتجاوز الفيزياء الحديثة.

ما هي صعوبة التحكم في الجزيئات؟

في التجارب الكمومية، تعتبر الذرات كائنات بسيطة نسبيًا. لديهم عدد محدود من حالات الطاقة المستقرة التي يمكن فهمها جيدًا ويمكن التحكم فيها بسهولة.

الجزيئات أكثر تعقيدا بكثير. لا يقتصر الأمر على أنها تحتوي على مستويات إلكترونية مثل الذرات فحسب، بل يمكنها أيضًا الدوران و”الارتعاش” مثل الدمبل المصغرة الموجودة على النوابض. يضيف كل نوع من الحركة خيارات سلوكية جديدة. ونتيجة لذلك، فإن الجزيء الواحد لديه آلاف الحالات المحتملة ويمكنه القفز بينها تلقائيًا، مما يعقد التحكم بشكل كبير.

“للتحكم في جسيم ما، نحتاج إلى تحديد حالته بدقة. يمكن أن يكون الجزيء في عدد كبير من الحالات بسبب دورانه واهتزازاته،” يوضح المؤلف الرئيسي دالتون تشافي.

ووفقا له، فإن هذا التعقيد هو الذي جعل الجزيئات لفترة طويلة غير قابلة للوصول فعليا للتحكم الكمي الدقيق.

أيون المراقب و”الربيع” الكمي

ولحل المشكلة، استخدم الفريق طريقة التحليل الطيفي المنطقي الكمي التي تم تطويرها سابقًا للساعات الذرية فائقة الدقة. جوهر هذا النهج هو أن حالة الجسيم “الصعب” تتم قراءتها من خلال كائن أكثر ملاءمة للمراقبة.

في التجربة، وضع العلماء جزيء CaH⁺ في مصيدة مع أيون الكالسيوم Ca⁺. كلاهما لهما نفس الشحنة الموجبة، لذا فهما يتنافران، مثل مغناطيسين لهما نفس القطبين. ولهذا السبب، فإنها تتحرك بشكل متزامن، كما لو كانت متصلة بواسطة زنبرك غير مرئي.

الجزيء نفسه لا “يستجيب” بشكل جيد لأشعة الليزر، لذلك من الصعب التحكم فيه بشكل مباشر. ولكن من السهل تبريد أيون الكالسيوم ومراقبته باستخدام الضوء. استخدمه العلماء كوسيط: حيث قاموا بتبريد الكالسيوم ومراقبته، ومعه أصبح الجزيء تحت السيطرة.

لماذا تحتاج التبريد؟

يعمل الليزر على إبطاء حركة أيونات الكالسيوم إلى الصفر المطلق تقريبًا. ومن خلال “الزنبرك الكمي”، يتم نقل التبريد إلى الجزيء. وهذا أمر بالغ الأهمية، كما تؤكد طالبة الدراسات العليا أبريل شيفيلد: وفي البيئة الباردة، يحافظ الجزيء على حالته الدورانية لمدة 18 ثانية تقريبًا، أي أطول بعشر مرات من درجة حرارة الغرفة.

تبدو هذه الفترة قصيرة، لكنها ضخمة في فيزياء الكم. خلال هذا الوقت، يمكن للباحثين أخذ آلاف القياسات لنفس الحالة، واختبار استقرارها وإمكانية التحكم فيها.

كيف يتم الكشف عن التحولات الكمومية

وبمجرد تبريده، يسلط العلماء شعاع ليزر على الجزيء، مما يغير دورانه. ولا يمكن رؤية الجزيء نفسه، ولكن يتم استشعار التغيير بواسطة أيون الكالسيوم. يتفاعل مع وميض قصير من الضوء تلتقطه الكاميرا. عندما يُطلب من الجزيء العودة إلى حالته الأصلية، يومض الأيون مرة أخرى.

يتوافق هذا الوميض المزدوج مع تحولين كموميين.

يقول باروخ مارغوليس، الباحث في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا: “هذه هي ميكانيكا الكم في أنقى صورها. نحن نرى حرفيًا الحالة الكمومية للأيون بالكاميرا”.

إذا أدى الإشعاع الحراري من البيئة إلى تحويل الجزيء إلى حالة أخرى، تتوقف التوهجات. يحدث هذا على الفور تقريبًا لمدة 10 ميلي ثانية، مما يسمح لك بتتبع لحظة فقدان السيطرة بدقة.

موثوقية وأهمية النتيجة

الملاحظة وحدها لا تكفي، لذلك كرر الفريق التجربة عدة مرات. وفي 998 حالة من أصل 1000، تطابقت النتيجة مع النتيجة المتوقعة، مما يؤكد مستوى السيطرة البالغ 99.8 بالمئة. كان هذا المؤشر متاحًا سابقًا بشكل أساسي للذرات المفردة، ولكن ليس للجزيئات.

ويشير العلماء إلى أن الجزيئات يمكن أن تصبح عناصر أساسية لتقنيات الكم المستقبلية. وعلى عكس الذرات، فإن لديها بنية داخلية أكثر ثراءً وقادرة على تشفير المزيد من المعلومات في كائن واحد. وهذا يسمح باعتبار الجزيئات مرشحة لأنظمة حوسبة كمومية أكثر قوة ومرونة.

بالإضافة إلى ذلك، تفتح الجزيئات الخاضعة للرقابة الطريق لضبط دقيق للتفاعلات الكيميائية على مستوى الروابط الفردية بين الذرات، وهو أمر مهم لإنتاج الأدوية والمحفزات والمواد الجديدة. وأخيرا، فإن الحساسية العالية للجزيئات للتأثيرات الفيزيائية الضعيفة تجعلها أداة قيمة للتجارب التي تهدف إلى اختبار القوانين الأساسية للطبيعة والبحث عن تأثيرات تتجاوز النظريات المعروفة.