تم العثور على الجسيمات التي تتذكر حالة سابقة في الجرافين
بتوقيت بيروت -

علماء من معهد وايزمان للعلوم (WIS) نشروا في المجلة طبيعة تظهر النتائج أن الجسيمات الكمومية في طبقة الجرافين ثنائية الطبقة قادرة على تخزين معلومات حول حالاتها السابقة. تتبع الباحثون التذبذبات الدورية للشحنة الجزئية ووجدوا أنها عادت بإيقاع تداخل ثابت. تؤكد هذه البيانات فرضية الذاكرة المتماسكة للأنظمة الكمومية وتعطي الأمل في إنشاء أجهزة كمومية قادرة على العمل خارج الظروف المثالية.

كيف “تتذكر” الجسيمات الماضي

الشخصيات الرئيسية هنا هي غير الأبيلية من الأنيون – جسيمات كمومية خاصة لا توجد إلا في نظام ثنائي الأبعاد. عندما تغير هذه الجسيمات أماكنها، تتفاعل وظائفها الموجية بطريقة خاصة.

“في الأنيونات غير الأبيلية، يترك تبادل المواقع بصمة على الدالة الموجية”، يوضح عالم الفيزياء النظرية الدكتور يوفال رونين.

على عكس الجسيمات العادية، التي تتحرك ببساطة وتفقد آثار تفاعلاتها، تحتفظ الأنيونات غير الأبيلية بمعلومات عنها ترتيب جميع التبادلات السابقة. إنه مثل قطار من القضبان: حتى لو تحركت سيارة واحدة قليلاً، يتم الحفاظ على التسلسل العام. في الجرافين، لا يتم تسجيل مثل هذا “الأثر” محليًا، ولكن في البنية الطوبولوجية العالمية للنظام. ولهذا السبب يتم تخزين المعلومات بشكل ثابت حتى مع الاهتزازات أو العيوب أو تقلبات الجهد.

التجربة: نصف إلكترون

استخدم الباحثون حلقة في بنية الجرافين المحددة بواسطة بوابة منطقية، حيث ترتفع مقاومة الجهاز وتنخفض بانتظام. في درجات حرارة منخفضة للغاية ومجالات مغناطيسية قوية، شكلت الإلكترونات هياكل تحمل شحنة جزئية. يُعرف هذا التأثير باسم “تأثير هول” الكمي الجزئي، والذي تم وصفه لأول مرة في عام 1982، حيث تتصرف الإلكترونات الموجودة على طول الحواف كشحنات أصغر.

في إحدى التجارب، سجل فريق رونين إشارة غير عادية تقابل “نصف إلكترون”.

وأشار رونين: “لقد لاحظنا جزءًا من الإلكترون له مقام زوجي”.

يشير هذا إلى الحركة الجماعية لجسيمين ظلا متصلين ولكنهما غير متحدين جسديًا. أدى تفاعلها مع الدالة الموجية للحلقة إلى خلق نمط تداخل -تضخيم أو تعويض متبادل للإشارات- مما جعل من الممكن تسجيل حالة الجسيمات في الدورات السابقة.

كيف يعمل التدخل الكمي

في فيزياء الكم، تتصرف الجسيمات مثل الموجات، ويتم وصف حالتها بواسطة دالة موجية. عندما تفصل الحلقة موجة ثم تجمعها، فإن المسارين إما يضخمان أو يلغي كل منهما الآخر، مما يخلق تذبذبات في المقاومة. إن تأثير أهارونوف-بوم، الناتج عن التدفق المغناطيسي، يضبط إيقاع هذه التذبذبات. جعل ثبات النمط من الممكن تحديد ليس فقط وجود شحنة كسرية، ولكن أيضًا حركتها في الحلقة.

من خلال تغيير الجهد، قام الباحثون فعليًا بتغيير “مجموعة” الإلكترونات داخل مصيدة الجرافين. عندما كانت الجسيمات ذات الشحنات الجزئية بالداخل، بدأت في التأثير على مسار الموجات الكمومية الأخرى. أدى هذا إلى تغيير نمط التداخل وتغيير المقاومة، وهي علامة على أن الجسيمات لم تكن تتصرف مثل الإلكترونات العادية، ولكن مثل الأجسام الكمومية الغريبة التي لها ذاكرة لحالتها الماضية.

الذاكرة المضمنة في طوبولوجيا

بالنسبة للأنيونات غير الأبيلية، فإن ترتيب التبادل له أهمية أساسية. يعيد كل تبديل كتابة البنية الطوبولوجية للنظام بأكمله، ويتم تخزين المعلومات حول الحالات السابقة في الدالة الموجية.

“لا يتم تخزين المعلومات محليا، ولكن في شكل عالمي للنظام، مما يجعلها مقاومة للعيوب والاهتزازات”، يوضح رونين.

هذه الخاصية تجعل مثل هذه الجسيمات فريدة من نوعها بالنسبة للحوسبة الكمومية. تعتمد معظم الكيوبتات في أجهزة الكمبيوتر الكمومية التقليدية على حالات محلية تتأثر بسهولة بالضوضاء. تتيح الأنيونات غير الأبيلية إنشاء بوابات منطقية تحافظ على النظام والبيانات حتى خارج الظروف المثالية، دون الحاجة إلى درجات حرارة منخفضة للغاية أو عزل كامل.

آفاق التكنولوجيا

يواصل فريق WIS العمل على مراقبة تبادلات الجسيمات وعزل الأنيونات الفردية غير الأبيلية لاختبار كيفية تأثير إعادة ترتيبها على الدالة الموجية للنظام بأكمله. يمكن أن تصبح هذه التجارب الأساس لإنشاء أجهزة كمومية ذات ذاكرة طويلة المدى مقاومة للضوضاء والاهتزازات الخارجية.

واختتم رونين قائلاً: “لقد أظهرنا أن الجرافين ثنائي الطبقة يحتوي بالتأكيد على أنيونات غير أبيلية”.

إذا تمكن الباحثون من التحكم في هذه التبادلات، فإن تصحيح الأخطاء في أجهزة الكمبيوتر الكمومية سيصبح أسهل وسيتم تخزين المعلومات بشكل موثوق حتى في الظروف الصعبة.

اشترك واقرأ “العلم” في

برقية



إقرأ المزيد