علماء أكسفورد ينجحون في فك شفرة "الاعتصار الرباعي" في إنجاز كمومي تاريخي

نجح باحثون في جامعة أكسفورد في إثبات ظاهرة الاعتصار الرباعي في فيزياء الكم، مما يفتح الباب أمام تفاعلات كمومية من الدرجة الرابعة كان يُعتقد سابقاً أنها أضعف من أن يتم عزلها. ومن خلال التحكم الدقيق في أيون محتجز، تمكن الفريق من تجاوز القيود التقليدية للضوضاء الكمومية، مما يمهد الطريق لتطوير أجهزة استشعار وحواسيب كمومية متطورة. وتقدم النتائج، التي نُشرت في مجلة Nature Physics، طريقة عالية الكفاءة لهندسة السلوكيات الكمومية المعقدة.

يُعد هذا التحديث بالغ الأهمية لمهندسي الحوسبة الكمومية وعلماء الفيزياء ومطوري التقنيات المستقبلية. فمن خلال إثبات إمكانية هندسة حالات كمومية متقدمة بشكل عملي، يتيح هذا البحث ابتكار أدوات قياس فائقة الدقة وبناء أجهزة محاكاة كمومية أكثر استقراراً.

في ميكانيكا الكم، تتصرف الأنظمة مثل موجات الضوء أو الذرات المحتجزة كالمتذبذبات التوافقية الكمومية. وتعتمد السيطرة على هذه التذبذبات عادةً على تقنية "الاعتصار"، والتي تعيد توزيع حالة عدم اليقين من خلال زيادة دقة خاصية معينة على حساب خاصية أخرى. ورغم استخدام الضوء المعتصر بالفعل في أجهزة كشف موجات الجاذبية الضخمة مثل مرصد LIGO، إلا أن تحقيق تفاعلات أكثر تعقيداً كان أمراً شبه مستحيل تاريخياً بسبب طغيان الضوضاء البيئية على الإشارات بسرعة.

لتحقيق هذا الإنجاز، طبق فريق أكسفورد قوتين يتم التحكم فيهما بدقة على أيون محتجز واحد. وتُنتج كل قوة بمفردها تأثيراً يمكن التنبؤ به، ولكن عند دمجهما معاً، فإنهما تطلقان ظاهرة تُعرف باسم عدم التبادلية. وفي هذه الحالة، يؤدي ترتيب الإجراءات ودمجها إلى تغيير النتيجة بشكل جذري، مما يسمح للقوتين بتضخيم بعضهما البعض بدلاً من إلغاء تأثيرهما.

ووفقاً للباحثة الرئيسية الدكتورة أوانا بازافان، غالباً ما يُنظر إلى التفاعلات غير التبادلية على أنها مصدر إزعاج في المختبرات لأنها تُدخل ديناميكيات غير مرغوب فيها. ومع ذلك، عكس الفريق هذا المفهوم، واستخدم عدم الاستقرار المتأصل لتوليد تفاعلات كمومية بسرعة تفوق الأساليب التقليدية بأكثر من 100 مرة من الناحية النظرية.

من خلال ضبط الترددات والمراحل وقوة القوى المطبقة، نجح الباحثون في إعادة بناء الحركة الكمومية للأيون المحتجز. وأكدت القياسات وجود أنماط مميزة تتوافق مع مستويات متعددة من الاعتصار الكمومي.

• الاعتصار القياسي (Standard Squeezing): تفاعل أساسي من الدرجة الثانية يُستخدم في أجهزة الاستشعار الدقيقة الحالية.
• الاعتصار الثلاثي (Trisqueezing): تفاعل معقد للغاية من الدرجة الثالثة تم عزله بنجاح عن الضوضاء الخلفية.
• الاعتصار الرباعي (Quadsqueezing): تفاعل غير مسبوق من الدرجة الرابعة، تم إثباته لأول مرة على أي منصة كمومية.

يمثل الإثبات الناجح لظاهرة الاعتصار الرباعي قفزة هائلة من الفيزياء النظرية إلى الهندسة الكمومية العملية. ونظراً لأن فريق أكسفورد استخدم أدوات متوفرة بالفعل في العديد من المنصات الكمومية القياسية، فإن هذه الطريقة قابلة للتطوير بشكل كبير. ويثبت هذا الإنجاز أننا لا نحتاج بالضرورة إلى أجهزة جديدة كلياً للوصول إلى حالات كمومية أعمق، بل نحتاج فقط إلى طرق أكثر ذكاءً للتعامل مع القوى الحالية.

للمضي قدماً، من المرجح أن تؤدي القدرة على توليد هذه التفاعلات بسرعة تفوق التوقعات بـ 100 مرة إلى تسريع تطوير القياسات في منتصف الدائرة ومحاكاة نظرية المقياس الشبكي. ومع توسيع الباحثين لهذه التقنية لتشمل أنظمة ذات أنماط حركة متعددة، يمكننا أن نتوقع تطوراً سريعاً في كيفية تعامل الحواسيب الكمومية مع تصحيح الأخطاء والمحاكاة الفيزيائية المعقدة.