التقنيات الكمومية: رؤى جديدة حول عمليات التوصيل الفائق

إن تطوير حاسوب كمومي قادر على حلّ مسائل تعجز الحواسيب التقليدية عن حلّها إلا بجهد كبير أو تعجز عنها تمامًا، هو الهدف الذي تسعى إليه حاليًا فرق بحثية متزايدة العدد حول العالم. والسبب هو أن التأثيرات الكمومية، التي تنشأ من عالم أصغر الجسيمات والبنى، تُتيح العديد من التطبيقات التكنولوجية الجديدة. وتُعتبر ما يُسمى بالموصلات الفائقة، التي تسمح بمعالجة المعلومات والإشارات وفقًا لقوانين ميكانيكا الكم، مكونات واعدة لتحقيق الحواسيب الكمومية. إلا أن إحدى نقاط الضعف في البنى النانوية فائقة التوصيل هي أنها لا تعمل إلا في درجات حرارة منخفضة جدًا، وبالتالي يصعب تطبيقها عمليًا.

أثبت باحثون من جامعة مونستر ومركز يوليش للأبحاث، ولأول مرة، ما يُعرف بتكميم الطاقة في الأسلاك النانوية المصنوعة من موصلات فائقة عالية الحرارة، أي الموصلات الفائقة التي ترتفع درجة حرارتها عن الحد الذي تسود فيه التأثيرات الكمومية. في هذه الحالة، لا يتخذ السلك النانوي فائق التوصيل إلا حالات طاقة محددة يمكن استخدامها لتشفير المعلومات. كما تمكن الباحثون، ولأول مرة، من رصد امتصاص فوتون واحد في هذه الموصلات الفائقة عالية الحرارة، وهو جسيم ضوئي يُستخدم لنقل المعلومات.

يؤكد البروفيسور كارستن شوك، قائد فريق البحث من معهد الفيزياء بجامعة مونستر، قائلاً: "من جهة، يمكن أن تُسهم نتائجنا في استخدام تقنيات تبريد مُبسّطة بشكل كبير في التقنيات الكمومية مستقبلاً، ومن جهة أخرى، تُقدّم لنا رؤى جديدة تماماً حول العمليات التي تحكم حالات الموصلية الفائقة وديناميكياتها، والتي لا تزال غير مفهومة". لذا، قد تكون هذه النتائج ذات أهمية لتطوير أنواع جديدة من تكنولوجيا الحوسبة. وقد نُشرت الدراسة في مجلة "نيتشر كوميونيكيشنز".

استخدم العلماء موصلات فائقة مصنوعة من عناصر الإيتريوم والباريوم وأكسيد النحاس والأكسجين، أو اختصارًا YBCO، حيث صنعوا منها أسلاكًا رقيقة جدًا لا يتجاوز سمكها بضعة نانومترات. وعندما تُوصل هذه الهياكل التيار الكهربائي، تحدث ديناميكيات فيزيائية تُسمى "انزلاقات الطور". في حالة أسلاك YBCO النانوية، تتسبب تقلبات كثافة حاملات الشحنة في تغيرات في التيار الفائق. درس الباحثون العمليات التي تحدث في الأسلاك النانوية عند درجات حرارة أقل من 20 كلفن، أي ما يعادل -253 درجة مئوية. وبالاستعانة بحسابات نموذجية، أثبتوا تكميم حالات الطاقة في الأسلاك النانوية. ووجدوا أن درجة الحرارة التي تدخل عندها الأسلاك في الحالة الكمومية تتراوح بين 12 و13 كلفن، وهي درجة حرارة أعلى بمئات المرات من درجة الحرارة المطلوبة للمواد المستخدمة عادةً. وقد مكّن هذا العلماء من إنتاج رنانات، أي أنظمة متذبذبة مضبوطة على ترددات محددة، ذات أعمار أطول بكثير، والحفاظ على الحالات الكمومية لفترة أطول. هذا شرط أساسي للتطوير طويل الأمد لأجهزة الكمبيوتر الكمومية الأكبر حجماً.

من المكونات المهمة الأخرى لتطوير تقنيات الكم، وربما التشخيص الطبي أيضاً، أجهزة الكشف القادرة على رصد حتى الفوتونات المفردة. يعمل فريق كارستن شوك البحثي في ​​جامعة مونستر منذ سنوات على تطوير هذه الأجهزة باستخدام الموصلات الفائقة. وما يُحقق نتائج جيدة بالفعل عند درجات الحرارة المنخفضة، يسعى العلماء في جميع أنحاء العالم إلى تحقيقه باستخدام الموصلات الفائقة ذات درجات الحرارة العالية منذ أكثر من عقد. وقد تكللت هذه المحاولة بالنجاح لأول مرة في أسلاك YBCO النانوية المستخدمة في الدراسة. يقول مارتن وولف، المؤلف المشارك من فريق شوك البحثي: "تمهد نتائجنا الجديدة الطريق أمام وصف نظري جديد قابل للتحقق تجريبياً، وتطورات تكنولوجية".

نؤكد لكم أن فريق التحرير لدينا يتابع بدقة جميع التعليقات الواردة وسيتخذ الإجراءات المناسبة. آراؤكم تهمنا.

يُستخدم عنوان بريدك الإلكتروني فقط لإعلام المُستلم بهوية المُرسِل. ولن يُستخدم عنوانك أو عنوان المُستلم لأي غرض آخر. ستظهر المعلومات التي تُدخلها في رسالة بريدك الإلكتروني، ولن يحتفظ بها موقع Phys.org بأي شكل من الأشكال.

احصل على تحديثات أسبوعية و/أو يومية تصلك مباشرةً إلى بريدك الإلكتروني. يمكنك إلغاء الاشتراك في أي وقت، ولن نشارك بياناتك مع أي جهة خارجية.

يستخدم هذا الموقع ملفات تعريف الارتباط لتسهيل التصفح، وتحليل استخدامك لخدماتنا، وتوفير محتوى من جهات خارجية. باستخدامك لموقعنا، فإنك تقرّ بأنك قد قرأت وفهمت سياسة الخصوصية وشروط الاستخدام الخاصة بنا.