دستیابی به همدوسی کوانتومی در دمای اتاق

فیزیکدانان ژاپنی اعلام کرده‌اند به پیشرفت بزرگی در دستیابی به همدوسی کوانتومی در دمای اتاق رسیده‌اند.

به گزارش ایسنا، گرما دشمن عدم قطعیت کوانتومی است. فیزیکدانان ژاپنی با چیدمان مولکول‌های جاذب نور به روشی منظم، وضعیت بحرانی و هنوز تعیین نشده اسپین‌های الکترون را برای ۱۰۰ نانوثانیه نزدیک به دمای اتاق حفظ کردند.

به نقل از آی‌ای، این دستاورد می‌تواند تأثیر عمیقی بر پیشرفت در توسعه فناوری کوانتومی داشته باشد که به تجهیزات خنک کننده حجیم و گران قیمتی که در حال حاضر برای نگه داشتن ذرات در شکل به اصطلاح «همدوس»(coherent) مورد نیاز است، متکی نیست.

همدوسی یکی از ویژگی‌های فیزیکی امواج است. در فیزیک، اگر بسامد و شکل موج دو منبع موج کاملا یکسان باشد، کاملاً همدوس هستند و در عین حال می‌توانند اختلاف فاز داشته باشند. این یک ویژگی ایده‌آل از امواج است. در این ویژگی توان موج‌ها برای تداخل در همدیگر اندازه‌گیری می‌شود. اگر نوری را که از یک چشمه خارج می‌شود، به طریقی به دو قسمت تقسیم کنیم و با هر یک از آنها یک چشمه جدید ایجاد کنیم، به اصطلاح دو چشمه ثانویه از یک چشمه اولیه ساخته می‌شود. بنابراین هر نوع تغییر تصادفی در فاز یکی از آنها ایجاد شود، در دیگری نیز عیناً تکرار می‌شود.

دو چشمه را که به این ترتیب از یک چشمه اولیه مشتق شده‌اند و رابطه فاز ثابتی دارند، همدوس و امواج نوری حاصل از آنها را امواج همدوس می‌گویند.

همدوسی می‌تواند به عنوان یک ابزار مناسب برای یافتن ارتباط ممکن بین دو منبع تولید سیگنال استفاده شود. به همین منظور این ویژگی کاربرد وسیعی در پردازش سیگنال پیدا کرده‌ است. یکی از مهمترین کاربردهای همدوسی در پردازش سیگنال‌های ثبت شده از مغز است که می‌تواند در مورد چگونگی اتصالات کارکردی مغز توضیح دهد.

ناهمدوسی کوانتومی نیز از دست دادن همدوسی کوانتومی است. در مکانیک کوانتومی، ذراتی مانند الکترون توسط یک تابع موج توصیف می‌شوند. طبیعت احتمالی تابع موج باعث به وجود آمدن اثرات کوانتومی مختلف می‌شود. تا زمانی که رابطه قابل تعریف بین فاز و حالت‌های مختلف این سیستم وجود دارد، این سیستم «همدوس» است. همدوسی خاصیت بنیادی مکانیک کوانتومی و برای عملکرد رایانه‌های کوانتومی لازم است، اما هنگامی که یک سیستم کوانتومی کاملاً ایزوله نباشد و در تماس با محیط اطراف خود باشد، این همدوسی با زمان از بین می‌رود که به آن ناهمدوسی کوانتومی می‌گویند.

برخلاف روشی که ما اشیاء را در زندگی روزمره‌مان توصیف می‌کنیم که دارای کیفیت‌هایی مانند رنگ، موقعیت، سرعت و چرخش هستند، توصیف‌های کوانتومی از اشیاء کمتر ثابت است. تا زمانی که ویژگی‌های آنها در یک لحظه در جای خود قفل شود، باید با آنها طوری رفتار کنیم که گویی در فضای وسیعی حضور دارند و در جهات مختلف می‌چرخند.

قوانین حاکم بر این انبوهی از احتمالات موسوم به برهم‌نهی(superpositions)، مهندسان را با یک جعبه کامل از ترفندهای ریاضی برای بازی کردن مواجه می‌کند. اینها می‌توانند به عنوان انواع خاصی از رایانه‌ها برای خرد کردن اعداد یا برای استفاده در اقدامات امنیتی برای ارتباطات و حتی در دستگاه‌های اندازه‌گیری و تصویربرداری فوق حساس استفاده شوند.

با این حال، هر تعامل با محیط آنها این احتمال را به نوعی تغییر می‌دهد. در یک سطح، این مفید است. رایانه‌های کوانتومی برای تنظیم دقیق برهم‌نهی‌ها، بر درهم‌تنیدگی ذرات با یکدیگر تکیه می‌کنند. حسگرهای کوانتومی برای اندازه‌گیری محیط اطراف خود به برهمکنش‌های دقیق بین برهم‌نهی و محیط متکی هستند.

اگر دما را بالا ببرید، جنبش اتم‌های تکانشی و درخشش کور کننده الکترومغناطیسی به راحتی همدوسی ذرات را به یک توده بی‌فایده از الکترون خسته کننده قدیمی تبدیل می‌کند.

اگر منابعی برای پمپاژ مایعات فوق سرد از طریق تجهیزات خود داشته باشید تا این اختلال را کاهش دهید، این مشکل بزرگی نیست. اما چیزی که هر فیزیکدان کوانتومی واقعاً آرزویش را دارد، راهی برای پایین نگه داشتن هزینه‌ها از طریق کارکردن دستگاه‌های خود در دمای بیش از دمای انجماد است.

این شاهکار قبلاً در مجتمع‌هایی با طراحی ویژه ساخته شده از فلزات انجام شده است که حالت‌های کوانتومی را به شکل برهم‌نهی تا زمانی که نسبتاً مفید باشند، حفظ می‌کنند.

اکنون در این پیشرفت جدید، پژوهشگران برای اولین بار از نوع متفاوتی از مواد به نام چارچوب فلزی-آلی(MOF) استفاده کردند. آنها در این ساختار، مولکول‌هایی به نام کروموفور(chromophore) را ایجاد کردند که نور را در طول موج‌های خاصی جذب و منتشر می‌کنند.

نوبوهیرو یانای، فیزیکدان دانشگاه کیوشو می‌گوید: چارچوب فلزی-آلی(MOF) در این کار، یک سیستم منحصر به فرد است که می‌تواند کروموفورها را به صورت متراکم جمع کند. علاوه بر این، نانوحفره‌های داخل بلور، کروموفور را قادر می‌سازد در یک زاویه بسیار محدود بچرخد.

در خلال این کار، جفت الکترون‌ها در این کروموفورها با یک اسپین منطبق به یک آرایش جدید که در یک برهم نهی عمل می‌کنند، وارد می‌شوند. اگرچه این پدیده در فناوری سلول‌های خورشیدی به دقت مورد بررسی قرار گرفته، اما هنوز برای اهداف سنجش کوانتومی مورد بررسی قرار نگرفته است.

در آزمایشی به رهبری یانای، تیمی از پژوهشگران از امواج مایکرو برای بررسی الکترون‌ها در حالت‌های تبدیل‌شده‌شان استفاده کردند تا نشان دهند که می‌توانند در یک شکل برهم‌نهفته در دمای اتاق به مدت حدود ۱۰۰ میلیاردم ثانیه همدوس باقی بمانند که مدت زمان قابل توجهی است که می‌توان آن را با مقداری تنظیم دقیق گسترش داد.

یانای می‌گوید: این می‌تواند درهایی را به روی رایانش کوانتومی مولکولی در دمای اتاق بر اساس کنترل دروازه‌های کوانتومی متعدد و سنجش کوانتومی ترکیبات هدف مختلف باز کند.

این پژوهش در مجله Science Advances منتشر شده است.