نظام جديد لاكتشاف الذرة الواحدة – لاستخدامه في الحوسبة الكمومية

طور العلماء طريقة جديدة للكشف في الوقت الحقيقي عن الذرات المحايدة الفردية التي تتحرك بحرية، والتي تصل حساسيتها ودقتها إلى 99.7%، مما يسمح باكتشاف ذرة واحدة في أقل من جزء من المليون من الثانية، أي أسرع بعشرين مرة من أفضل الطرق السابقة

طور العلماء طريقة جديدة للكشف في الوقت الحقيقي عن الذرات المحايدة الفردية التي تتحرك بحرية، والتي تصل حساسيتها ودقتها إلى 99.7%، مما يسمح باكتشاف ذرة واحدة في أقل من جزء من المليون من الثانية، أي أسرع بعشرين مرة من أفضل الطرق السابقة .

يستخدم النظام، الموصوف على الموقع الإلكتروني للمجلة العلمية Nature Physics، من قبل باحثين من معهد JQI في ولاية ماريلاند بالولايات المتحدة الأمريكية وجامعة في تشيلي (Universidad de Concepción)، وسائل مبتكرة لتغيير استقطاب شعاع الليزر المحصور. بين مرآتين شديدتي الانعكاس، وبالتالي يسمح للعلماء "برؤية" الذرات التي تمر من خلاله باستخدام الفوتونات الفريدة التي تنثرها.

تعد القدرة على اكتشاف الجسيمات والذرات الفردية أمرًا ضروريًا للتقدم في العديد من المجالات، بما في ذلك المعلومات الكمومية والاكتشاف الكيميائي والتشخيص الكيميائي الحيوي.

"الأنظمة الحالية بطيئة للغاية في اكتشاف الذرات الفردية المتحركة، ولهذا السبب لا توجد إمكانية على الإطلاق للتأثير عليها قبل أن تختفي. يقول المؤلف المشارك ديفيد نوريس: "إن عملنا يحرر الباحثين من قيود الوقت". "علاوة على ذلك، من الصعب التمييز بين الاكتشاف الحقيقي للذرة والإيجابية الكاذبة العشوائية دون جمع المعلومات على مدى فترة طويلة من الزمن. يقوم نظامنا بتصفية الإشارات وتقليل وقت الكشف."

قام العلماء باحتجاز وتبريد مجموعة صغيرة من الذرات (في الحالة المذكورة أعلاه - ذرات الروبيديوم) داخل حاوية فارغة بحيث تتحرك إلى الأسفل ببطء، واحدة تلو الأخرى، من خلال ثقب يبلغ قطره ملليمترًا ونصف، إلى القاع من حاوية الاصطياد. [انظر الشكل 1]. وتستمر الذرات بعد ذلك في التحرك نحو الأسفل بنحو ثمانية سنتيمترات حتى تدخل خلية صغيرة، أو تجويفا، مزودا من الجانبين بمرايا عالية الشفافية تواجه بعضها البعض على مسافة 2 ملليمتر. يمر عبر مركز المرآتين شعاع ليزر بطول موجي 780 نانومتر - أعلى قليلاً من شعاع الضوء الأحمر المرئي. يثير الشعاع الذرة الساقطة بين المرآتين ويؤدي إلى إصدار إشعاع فوتوني في كل الاتجاهات.

على الرغم من أن المصفوفة مألوفة في مختبرات الأبحاث التي تدرس العلاقات المتبادلة بين الذرات والفوتونات، إلا أن النظام الحديث، من ناحية أخرى، يتمتع بخاصيتين أصليتين فريدتين.

أولاً، استخدم الباحثون استقطابين للشعاع الذي يمر عبر الفضاء: أحدهما (أفقي) يتم تحفيزه في الداخل لإثارة الذرات بشكل فعال والآخر (عمودي) يظهر فقط عندما ينبعث من ذرة في الفضاء. [انظر الشكل 2].

على الرغم من أن "سقوط" الذرة عبر الخزان لا يستغرق سوى خمسة أجزاء من المليون من الثانية، إلا أن هذه المرة أطول بمائتي مرة من الوقت اللازم لإثارة الذرات بقوة وإصدار الفوتونات، لذلك يمكن أن تحدث هذه العملية عدة مرات قبل ظهورها. تنهي الذرة رحلتها في الخزان.

ثانيًا، أنشأ الباحثون مجالًا مغناطيسيًا داخل التجويف، مما يتسبب في انحراف شعاع الليزر المستقطب قليلاً عند وجوده في حاوية محكمة الإغلاق. هذه الظاهرة، المعروفة باسم "تأثير فاراداي"، عادة ما تكون ضعيفة للغاية بالنسبة لذرة واحدة. ومع ذلك، بما أن الشعاع المنعكس عبر المرايا يضرب الذرة حوالي عشرة آلاف مرة، فإن النتيجة هي ميل أكبر بعدة درجات. ونتيجة لذلك، يمكن "رؤية" الذرات بسهولة أكبر.

في النهاية، يترك الضوء الحاوية ويمر عبر مقسم الشعاع القطبي الذي يوجه الفوتونات، بعضها إلى كاشف واحد (عمودي) والآخر إلى كاشف آخر (أفقي). كل فوتون يصل إلى الكاشف يعطي توقيعًا زمنيًا فريدًا. [انظر الشكل 3].

على الرغم من أنه من المفترض أن يكون كاشف الضوء المستقطب عموديًا حساسًا للشعاع الصادر من الذرة الموجودة في مساحة الحاوية فقط، إلا أنه في بعض الأحيان يمكن أيضًا خداعه بواسطة الإشعاع العرضي الموجود في غرفة القياس. ومع ذلك، نظرًا لأن كل ذرة تؤدي إلى عدة أحداث انبعاث فوتون، فسيتم إنشاء مجموعة من الفوتونات في كل حالة تعبر فيها ذرة واحدة المرايا. وهذا هو بالضبط التوقيع الذي يمكن للباحثين استخدامه للتحقق من الاكتشاف الحقيقي للذرة.

يقول الباحث: "تكمن الصعوبة الرئيسية في التحقق من أن الكاشف حساس بدرجة كافية لتمييز ذرة واحدة، وليس فقط مجموعات كبيرة منها".

"لحسن الحظ، تعمل إحصائيات الضوء بمثابة بصمة لانبعاث ذرة واحدة، وقد تمكنا من استخدام هذه المعلومات مع نظامنا."

الأخبار من معهد البحوث