آخرین اخبار
محققان با درهم‌تنیده کردن مولکول و اتم، سیستم کوانتومی هیبریدی می‌سازند

محققان با درهم‌تنیده کردن مولکول و اتم، سیستم کوانتومی هیبریدی می‌سازند

فیزیکدانان موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST)، کنترل ویژگی‌های بنیادی مولکول‌ها در سطح کوانتومی را با اتصال یا درهم تنیدگی یک اتم باردار و یک مولکول باردار ارتقا داده‌ و روشی را برای ساخت سیستم‌های اطلاعاتی کوانتومی هیبریدی به نمایش گذاشتند که می‌تواند اشکال مختلف داده را دستکاری، ذخیره و انتقال دهد.

روش جدیدNIST از طریق اتصال بیت‌های کوانتومی (کیوبیت‌ها) بر اساس طرح‌های سخت‌افزاری غیر سازگار و فرکانس‌های عامل، به ساخت کامپیوترهای کوانتومی و شبکه‌های کوانتومی بزرگ‌مقیاس کمک می‌کند. سیستم‌های کوانتومی با بستر مختلط می‌توانند تطبیق‌پذیری مانند سیستم‌های کامپیوتری مرسوم عرضه کنند، به‌عنوان‌ مثال می‌توانند داده‌ها را بین یک پردازنده الکترونیکی، یک دیسک نوری و یک دیسک سخت مغناطیسی مبادله کنند.

آزمایش‌هایNIST با موفقیت توانستند خصوصیات یک الکترون در یون اتمی را باحالت‌های چرخشی مولکول درهم‌تنیده کنند به گونه‌ای که اندازه‌گیری‌های یک‌ ذره، خصوصیات ذره دیگر را کنترل می‌کند. این تحقیق بر اساس اثبات کنترل کوانتومی یک مولکول (که در سال 2017 توسط همان گروه انجام‌شده بود) صورت گرفت. در تحقیق 2017،  تکنیک‌هایی که برای مدت‌زمان طولانی جهت دست‌کاری اتم‌ها به عرصه پیچیده‌تر و به‌طور بالقوه پربارتر توسط مولکول‌ها  (متشکل از چندین اتم که به‌هم‌پیوسته‌اند) ارائه می‌شد؛ توسعه و گسترش یافت.

مولکول‌ها، همانند اتم‌ها دارای تراز انرژی داخلی مختلفی هستند و همچنین در سرعت‌ها و زوایای مختلفی چرخش و ارتعاش دارند. بنابراین مولکول‌ها می‌توانند با تبدیل اطلاعات کوانتومی در طیف گسترده‌ای از فرکانس‌های کیوبیت از چند هزار به چند تریلیون چرخه بر ثانیه به ‌عنوان واسطه در سیستم‌های کوانتومی رفتار کنند. مولکول‌ها با ارتعاش حتی می‌توانند فرکانس کیوبیت بالاتری را نیز ارائه دهند.

محققان می‌گویند: «ما ثابت کردیم که یون اتمی و یون مولکولی درهم‌تنیده هستند و همچنین نشان دادیم که می‌توان انتخاب گسترده‌ای از فرکانس‌های کیوبیت را در این مولکول بدست آورد».

یک کیوبیت، بیت‌های داده دیجیتالی صفر و یک را از طریق دو حالت کوانتومی مختلف، مانند تراز کم ‌و زیاد انرژی در یک اتم نمایش می‌دهد. یک کیوبیت همچنین می‌تواند درآن‌ واحد در یک حالت برهم‌ نهی از هر دو حالت وجود داشته باشد. محققانNIST، دو تراز انرژی یك یون اتمی كلسیم را با دو جفت مختلف از حالت‌های چرخشی یك یون مولكولی هیدرید كلسیم (كه یک یون كلسیم متصل به یك اتم هیدروژن است)، درهم‌تنیده کردند. این کیوبیت مولکولی دارای یک فرکانس گذار (سرعت دوران بین دو حالت چرخشی) از انرژی کم در 13.4 کیلوهرتز (KHz، هزار دور در ثانیه) تا انرژی بالا با 855 میلیارد دور در ثانیه (گیگاهرتز یاGHz) است.

محققان می‌گویند: «مولکول‌ها یک مجموعه گزینشی از فرکانس‌های گذار را بدست می‌دهند و ما می‌توانیم از میان آن‌ها تعداد زیادی را انتخاب كنیم، به گونه‌ای که می‌توانیم  طیف عظیمی از فرکانس‌های كیوبیت را به اطلاعات كوانتومی وارد كنیم. ما از این گذارهای یافت شده در طبیعت بهره می‌بریم بنابراین نتایج برای همه یکسان خواهد بود».

این آزمایش‌ها یک فرمول ویژه‌ از پرتوهای لیزر آبی و مادون‌قرمز با شدت‌ها، جهت‌گیری‌ها و توالی پالس‌های مختلف به‌منظور خنک کردن، درهم‌تنیده کردن و اندازه‌گیری حالت‌های کوانتومی یون‌ها را استفاده کردند.

محققانNIST، ابتدا دو یون را به حالت کمترین انرژی خود به دام انداخته و سرد کردند. این جفت به دلیل نزدیکی فیزیکی و بارهای الکتریکی مثبت، یکدیگر را دفع کردند به‌طوری‌که این دافعه مانند فنر قفل کننده حرکت، رفتار می‌کرد. پالس‌های لیزر، انرژی را به چرخش مولکول اضافه کرده و یک برهم نهی از حالت‌های چرخشی کم انرژی و پرانرژی ایجاد کرد که این کار نیز یک حرکت مشترک را تنظیم می‌کند، بنابراین این دو یون به‌صورت هماهنگ شروع به جنبیدن و یا چرخیدن (در اینجا در جهت‌های مخالف) کردند.

بنابراین چرخش مولکول بدین ترتیب با حرکت آن درهم‌تنیده شد. پالس‌های لیزر بیشتر، از حرکت مشترک این دو یون استفاده کردند تا یون اتمی را به یک حالت برهم‌نهی از ترازهای انرژی کم‌ و زیاد تبدیل کنند. بدین‌صورت، درهم تنیدگی از حرکت انتقالی به چرخش اتم منتقل شد. محققان، حالت یون اتمی را به‌وسیله تاباندن لیزر و اندازه‌گیری فلورسانس آن، یا از طریق میزان نور پراکنده‌شده، مشخص کردند.

محققانNIST، این تکنیک را با دو مجموعه از خصوصیات چرخشی مولکول نشان دادند و توانستند به‌طور موفقیت‌آمیزی، 87٪  از مواقع، با یک جفت کم انرژی (کیوبیت) و 76٪ از مواقع، با یک جفت انرژی بالاتر درهم تنیدگی ایجاد کنند. در حالت انرژی کم، مولکول در دو زاویه کمی متفاوت (مانند یک فرفره)، اما به طور همزمان در هر دو حالت می‌چرخید.  در مورد حالت انرژی زیاد، مولکول به‌طور هم‌زمان با دو نرخ متفاوت در حال چرخش بود که از نظر سرعت با هم تفاوت زیادی داشتند.

این کار جدید، از طریق تکنیک‌های منطق کوانتومی ‌ثابت‌‌شده در آزمایش 2017 میسر شده است. محققان، پالس‌های نور لیزر مادون‌قرمز را جهت سوئیچ کردن چرخش مولکول (که بین دو تا بیش از صد حالت ممکن وجود دارد) اعمال کردند. محققان می‌دانستند که این گذار روی می‌دهد زیرا یک مقدار مشخص از انرژی به حرکت مشترک دو یون افزوده‌ شد.

این روش‌های جدید می‌توانند به همراه طیف گسترده‌ای از یون‌های مولکولی (متشکل از عناصر مختلف) به‌ منظور ارائه انتخاب گسترده‌ای از خواص کیوبیت استفاده شوند. این رهیافت می‌تواند انواع مختلفی از کیوبیت‌ها را که در فرکانس‌های مختلف کار می‌کنند، مانند اتم‌ها و سیستم‌های ابررسانا یا ذرات نور را به هم متصل کند. علاوه بر کاربردهای اطلاعات کوانتومی، این تکنیک‌های جدید ممکن است در ساخت حسگرهای کوانتومی یا انجام محاسبات شیمی کوانتومی نیز مفید باشند.
منبع: phys.org
 
كلمات كليدي :
درهم تنیدگی
 
امتیاز دهی
 
 

نظر شما
نام  
پست الكترونيک
وب سایت
متنی که در تصویر می بینید عینا تایپ نمایید
نظر
login