هذا العام، مُنح ثلاثة باحثين من جامعة كاليفورنيا، سانتا باربرا، جوائز تقديرًا لسلسلة من التجارب الرائدة التي أسست الكيوبت الفائق التوصيل، وهو المكون الأساسي الذي يستخدمه العلماء حول العالم حاليًا لبناء الحواسيب الكمومية. في هذه المقالة، سأستعرض كيف تحولت فكرة نظرية من ميكانيكا الكم إلى تجربة عملية في تقاطعات جوزيفسون، وما هو النفق العياني، وما الذي مكّن من بناء الكيوبت الفائق التوصيل، وهو الأساس الذي ترتكز عليه جميع الحوسبة الكمومية.
مُنحت جائزة نوبل في الفيزياء هذا العام لثلاثة باحثين من جامعة سانتا باربرا، كاليفورنيا (الولايات المتحدة الأمريكية): جون كلارك، وميشيل ديبورا، وجون مارتينز، تقديرًا لأبحاثهم في مجال النفق الكمومي العياني والدوائر الكهربائية "الخماسية". في السنوات الأخيرة، دأبت لجنة الجائزة على متابعة أحدث التوجهات. ففي العام الماضي، على سبيل المثال، مُنحت الجائزة لمجموعة من الباحثين في مجال الذكاء الاصطناعي. هذا العام، تُعدّ ميكانيكا الكم موضوعًا ساخنًا. في احتفالات الذكرى المئوية التي تُقام حول العالم، يُتداول مصطلح "الحاسوب الكمومي" في كل مكان، ويمكن سماعه حتى جدران الأكاديمية السويدية. من جهة، تشعر الأكاديمية بالتزامها بمنح الجائزة لهذا المجال، ومن جهة أخرى، تُدرك تمامًا أن الحواسيب الكمومية لم تُثبت جدارتها بعد. الحل إذًا بسيط: سنمنح جائزة للحوسبة الكمومية مُتنكرةً. سيتناول العنوان ظاهرةً تبدو أساسيةً في ميكانيكا الكم، ولكن من الواضح بين السطور أن الجائزة مُنحت الآن بفضل أحداث العام. في الوقت نفسه، لا شك في أن الجائزة مستحقة، وأن هذه الاكتشافات أدت إلى سلسلة من التطورات التكنولوجية.
الفكرة العلمية
وبالعودة إلى الفكرة العلمية التي فازت بالجائزة. صيغ تأثير النفق في بداية ميكانيكا الكم، عندما قدم إروين شرودنغر، العالم النمساوي، للعالم معادلة الموجة الشهيرة التي وصفت الطبيعة الاحتمالية للعالم. تُعلّم الفيزياء الكلاسيكية أن تلك الجسيمات، التي توصف عادةً بالكرات الصغيرة، غير قادرة على عبور الحواجز المادية مثل الجدران. إذا رمينا كرة على جدار، فإنها ستغير مسارها وتعود إلينا لأن الجسيمات التي تتكون منها تتنافر كهربائيًا عند لحظة التلامس. وهناك احتمال آخر وهو أن تكون الكرة نشطة بما يكفي لكسر الروابط الكهربائية بين الذرات التي تشكل الجدار وإحداث شقوق فيه. على أي حال، إذا تجاهلنا إمكانية أن تكون الكرة قادرة على اختراق الجدار، فلن تخترقه أبدًا. (يمكننا أن نتخيل إمكانية ثالثة بافتراض أن ارتفاع الجدار محدود. إذا رمينا الكرة عالياً بما يكفي، فستكون الكرة لديها طاقة كافية للقفز فوق الجدار، ولكن هذه ليست الطريقة الكمية التي سنناقشها لاحقاً.)
من ناحية أخرى، إذا كانت الكرة مجهرية - بحجم جسيم واحد - فلن تكون الفيزياء الكلاسيكية ذات صلة. في هذه الحالة، يتم تحديد سلوك الجسيم بواسطة ميكانيكا الكم، والتي يمكنها التنبؤ باحتمال محدود بأن الجسيم سيكون قادرًا على المرور عبر الجدار حتى لو لم يكن لديه طاقة كافية للقيام بذلك كلاسيكيًا. يكون الاحتمال أصغر بالفعل كلما زاد سمك الجدار، ولكن إذا كانت طاقة الجسيم كبيرة بما يكفي (ولكنها ليست كبيرة بما يكفي لتكون قادرة أيضًا على المرور كلاسيكيًا) وكان الجدار محدود السمك، فإن احتمال ظهور الجسيم فجأة على الجانب الآخر من الجدار ليس صفرًا. هذا هو تأثير النفق الكمي. يأتي اسم النفق من كلمة نفق، لتمثيل (مجازيًا بالطبع) أن الجسيم يخترق حاجز الطاقة من خلال نفق.
بالتوازي مع الأفكار الأساسية التي طُوّرت في ميكانيكا الكم، اكتُشفت مواد ذات خصائص كمية استثنائية - مثل الموصلات الفائقة التي رُصدت عند درجات حرارة منخفضة للغاية. عندما تصبح المادة موصلًا فائقًا، تكون قادرة على توصيل الكهرباء دون مقاومة، ولن يتوقف التيار الكهربائي المتدفق من خلالها طالما ظل الموصل الفائق عند درجة حرارة منخفضة. أثارت الخاصية الكمية فضول العديد من الباحثين الذين تخيلوا عالمًا صديقًا للبيئة وموفرًا للطاقة تُستبدل فيه الموصلات البسيطة بموصلات. في ستينيات القرن الماضي، اكتشف الفيزيائي برايان جوزيفسون أنه إذا تم توصيل موصلين فائقين باستخدام عازل كهربائي، يمكن لأزواج من الإلكترونات أن تنفق عبر العازل من موصل فائق إلى آخر. يُطلق على هذا النظام الآن اسم وصلة جوزيفسون. أدت تجربة جوزيفسون إلى اختراع SQUID، وهو جهاز قائم على النفق يمكن استخدامه لمسح الذرات في مادة ما والتقاط صور لها. وقد حصل جوزيفسون على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1973 بفضل هذا الاكتشاف، إلى جانب باحثين آخرين في مجال الموصلات الفائقة.
لنتذكر أن كل موصل فائق له حالته الكمومية الخاصة. وبشكل عام، تصف الحالة الكمومية عدد الإلكترونات المشاركة فيه. وللحالة الكمومية للموصل الفائق خاصية إضافية ذات طبيعة دورية. وكما هو الحال مع الموجات المتذبذبة، يمكن للموصلات الفائقة أن تتذبذب معًا، أي تبدأ وتنتهي بنفس النبضة، أو أن تكون غير متزامنة.
تُسمى درجة عدم التطابق "الطور بين الموصلين الفائقين". عندما يكون الموصلان الفائقان في تزامن مثالي، يكون الطور مساويًا للصفر؛ وعندما يكونان في تزامن عكسي، يكون الطور مساويًا لـ باي.
يتم التحكم في الطور بينهما بواسطة التيار المتدفق في الوصلة، وإذا تغير الطور فجأةً، يتولد جهد بين أجزاء الوصلة، ويتوقف النظام عن التوصيل الفائق. في المقابل، في الحالة المستقرة، يتدفق تيار متردد بين جزئي الوصلة، ولا يتغير الطور ولا يوجد جهد. ولأن هذا نظام كمي، يمكن أن يتغير الطور عشوائيًا بمساعدة النفق. هذا ليس نفقًا "تقليديًا" لجسيم واحد، بل نفق في الطور النسبي للجزأين فائقي التوصيل. لماذا يحدث النفق؟ يتطلب تغيير الطور طاقة، ولكن في حالة استقرار الطور، لا تملك الإلكترونات في الموصلات طاقة كافية لتغييره. في الوقت نفسه، هناك احتمال كبير أن توجد وصلة جوزيفسون في حالة ذات طور مختلف، أي أنها ستعبر حاجز الطاقة وتستقر في حالة فيزيائية جديدة.
في الواقع، يتضمن النفق بين مرحلتين مختلفتين التنسيق بين عدد هائل من المليارات من الإلكترونات، ولهذا السبب يُطلق عليه اسم النفق العياني.
حول تجربة الحائزين على جائزة نوبل
في ثمانينيات القرن العشرين، نشر الحائزون الثلاثة على جائزة نوبل مقالة رائدة في مجلة Physical Review Letters، حيث أظهروا لأول مرة النفق العياني في تقاطع جوزيفسون، انظر الرسم البياني:
برّدوا الوصلة إلى درجات حرارة مختلفة، وقاسوا احتمالية تغير الطور. لو كانت العملية كلاسيكية، لتناقص احتمالية التغير تدريجيًا مع انخفاض درجة الحرارة، نظرًا لانخفاض الطاقة المتاحة للنظام. مع ذلك، عند درجات حرارة منخفضة جدًا، ظهر "ذيل" واضح في الرسم البياني، دليل على أن الاحتمالية لا تتلاشى، ودليل على أن النفق الكمي يُسهم في انتقال الطور حتى بدون طاقة حرارية.
علاوة على ذلك، أثبت الباحثون أن الطاقة المخزنة في الوصلة مُكممة، تمامًا كما هو الحال في المذبذب التوافقي الكمي. ببساطة، هناك مجموعة منفصلة من التذبذبات في التيار، وكل تذبذب منها مرتبط بطاقة منفصلة. يجب أن تكون الوصلة في إحدى هذه المجموعات من الحالات، وليس في حالة وسيطة. تُعرف التذبذبات في التيار بالتيار المتردد، وفي هذه الحالة، يكون للتيار المتردد موصل.
الاستخدامات
اليوم، تُبنى العديد من الحواسيب الكمومية من العديد من وصلات جوزيفسون. وقد أتاحت إمكانية إنشاء مذبذب توافقي كمي باستخدام الموصلات الفائقة للفيزيائيين إنشاء كيوبتات متحكم بها. الكيوبت هو مصطلح لأي نظام فيزيائي يحتوي على حالتين معزولتين تختلفان في الطاقة. على سبيل المثال، يحتوي المذبذب التوافقي على تذبذبين مركزيين، تذبذب ذو طاقة ضئيلة يسمى الحالة الأرضية، وتذبذب طاقي يحمل وحدة طاقة واحدة. يُشار عادةً إلى الحالة الأرضية بالرقم 0 (لأنها لا تحمل أي طاقة إضافية) والحالة الثانية بالرقم 1 (لأنها تحمل وحدة طاقة إضافية واحدة). هاتان الحالتان 0,1 تعادلان الحالة الثنائية الكلاسيكية في علوم الحاسوب. بفضل طبيعته الكمومية، يمكن أن يكون الكيوبت في حالة تراكب للحالتين وحتى متشابكًا مع كيوبتات أخرى - وهي خصائص تُمكّن من إجراء الحسابات الكمومية.
يمكن تطبيق الكيوبتات بطرق متنوعة، لكن وصلات جوزيفسون تُعد من أكثرها شيوعًا وفعاليةً نظرًا لإمكانية التحكم الدقيق في مكوناتها الكهربائية. لذا، ليس من المستغرب أن تُمنح جائزة هذا العام تحديدًا لأولئك الذين وضعوا الأسس التجريبية لهذا المجال بأكمله.
مرحباً بكم لقراءة المزيد من المقالات على مدونتي. "لماذا الكم؟"هل لديك سؤال؟ هل ترغب في الكتابة عن موضوع يهمك؟ تواصل معي عبر البريد الإلكتروني: noamphysics@gmail.com كما يمكنك متابعتي علىالسماء الزرقاء للبقاء على اطلاع على المحاضرات المقدمة للجمهور عامة.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
