الفيزيائيون يصنعون جهازًا بحجم النانو ذا مقدرة هائلة في مجال الحوسبة الكمية (Quantum Computing)

استخدمت مجموعة الباحث باركلي ماسة لصنع قرصها المصغر (microdisk) والذي يبدو كأنه قرص لعبة الهوكي بحجم مجهري صغير للغاية (تجويف ضوئي)، مدعومًا بركيزة صغيرة جدًا على شكل ساعة رملية في المركز. استخدمت المجموعة الضوءَ لصنع اهتزاز عبر القرص بتردد عالٍ ضمن نطاق الكَيكَا هيرتز (1 كَيكَا = 10^ 9)، وهو التردد المستخدم في الحواسيب وعمليات الاتصال عبر الهاتف الخلوي. “فهو يُظهر بأن الماس مادة ذو مقدرة كبيرة كمادة لصنع مذبذبات (oscillators) ميكانيكية على هذا المستوى” كما تقول مجموعة الباحث باركلي.

حقوق الطبع: جامعة كالغري الكندية هنا

 

فالجهاز المنحوت بشكل معقد والذي قام بصنعه بول باركلي (Paul Barkley) وفريقه من الفيزيائيين هو صغير للغاية لدرجة أنه ليس بالإمكان رؤيته إلا تحت المجهر، ألا أن قرصه الماسي المصغر قد يؤدي إلى تحقيق اكتشافات عظيمة في مجال الحوسبة والاتصالات والمجالات الأخرى.

فقد صنع باركلي ومجموعته البحثية، كجزء من معهد كالغري لعلوم وتكنولوجيا الكمّ (quantum science and technology) والمعهد الوطني لتقنية النانو (nanotechnology) بكندا، أول مرنان (resonator) ضوئي (أو تجويف ضوئي (optical cavity)) بحجم النانو من بلورة ماسية واحدة هي أيضًا بمثابة مرنان ميكانيكي. ومن خلال تحقيق التزاوج ما بين الضوء والحركة الميكانيكية بالجهاز، فقد قام الفريق أيضًا بقياس الاهتزازات الميكانيكية عالية التردد وطويلة البقاء، والمتسبب بها بفعل طاقة الضوء المنحبس والمرتدّ بداخل التجويف الضوئي للقرص الماسي المصغر.

“تقدم الأجهزة الضوئية-الميكانيكية الماسية لنا منصةً لدراسة السلوك الكمّي للأشياء المجهرية”، يقول باركلي، الأستاذ المشارك للفيزياء وعلم الفلك والعالم والذي يعمل تحت رعاية مشروع “ألبيرتا تبتكر” (Alberta Innovates) بمقاطعة ألبيرتا الكندية في تقنية النانو الكمّيّة (quantum nanotechnology) في كلية العلوم. “تتمتع هذه الأجهزة أيضًا بالعديد من التطبيقات الممكنة، بما في ذلك إمكان التحسس بطريقة جديدة غير مسبوقة، وتوفير تقنية تحويل لون الضوء والمعلومات الكمّيّة والتقنيات الحوسبية.” نُشر عمل الفريق في الدورية المحكمة (أوبتيكا) بعنوان “الميكانيكيات الضوئية لتجويف واطئ الانبعاث مصنوع من بلورة ماسية واحدة.” تحقيق التقدم في التقنية وفي الأبحاث الكمّيّة تُعنى تقنية النانو الكمّيّة (quantum nanotechnology) بتطوير دوائر مصغرة على مستوى الميكرو [(10)^ 6 من المتر] والنانو [(10)^9 من المتر] (وهو بحوالي 100 مرة أصغر من عرض شعرة الإنسان) للتلاعب بالضوء وتسخيره.

فبدلًا من الدوائر المصغرة (microcircuits) التي تنتقل فيها الكهرباء عبر أسلاك، كما بالإمكان إيجادها بالحواسيب والهواتف الخلوية وتقنيات الاتصال الأخرى، تُعنى ضوئيات النانو (nanophotonics) بعملية نقل الضوء عبر الأسلاك. وهي كتقنية الألياف البصرية (fiber optic technology)، ولكن على مستوى أصغر بكثير وربما أكثر تعقيدًا بكثير، على نحو يسمح بنقل المعلومات بشكل أكثر كثافةً وفعاليةً. تمثل تقنية النانو (nanotechnology) أيضًا هدية جديدة للباحثين العاملين على استكشاف عوالم جديدة من الفيزياء الكمّيّة أو فيزياء الكمّ (quantum physics)، أي، طبيعة المادة والطاقة على مستوى الذرّة وما هو أصغر من الذرّة. “فالمقدرة على حبس الضوء بأحجام على مستوى النانو بتجويف ضوئي هو أمر من شأنه أن يخلق كثافة كهرومغناطيسية (electromagnetic density) عالية من مقادير صغيرة جدًا من الضوء، وأن يضخّم التفاعلات الضوئية التي تكاد تكون بالعادة من المستحيل دراستها”، كما يقول باركلي. الماسة: “أفضل صديق” للباحث في علوم الكمّ استخدمت مجموعة باركلي ماسةً لصنع قرصها المصغر، والذي يبدو وكأنه قرص لعبة الهوكي بحجم مجهري صغير للغاية (تجويف ضوئي)، مدعومًا بركيزة صغيرة جدًا على شكل ساعة رملية في المركز.

“تخيّل أخذ شوكة ضبط صوت مصنوعة من الماس والرنين بها، فهي سترنّ على تردد عالٍ جدًا لمدة طويلة حقًا. وسيساعدنا هذا الأمر أيضًا على قياس هذه التأثيرات الكمّيّة الحساسة والمرهفة.” قام الطلبة بتصنيع الجهاز قام طلبة الدكتوراه لدى الباحث باركلي، بمن فيهم ماثيو ميتشيل (Matthew Mitchell) و بهزاد خناليلو (Behzad Khanaliloo)، وهم المؤلفون الأساسيون للورقة البحثية، بتصنيع القرص المصغر من رقائق ماسية أحادية البلورة ومن النوع الصناعي المتوفر تجاريًا. قام الطلبة أيضًا بتصميم وبناء النظام لقياس الخصائص الضوئية والميكانيكية للجهاز. استخدمت المجموعة، والتي تضمنت أيضًا طالب الدكتوراه (David Lake) وطالب الماجستير (Tamiko Masuda) وباحث ما بعد الدكتوراه (J.P. Hadden) المرافق المتوفرة بالمعهد الوطني لتقنية النانو (NINT) ومعمل تقنية النانو (nanoFAB) بجامعة ألبيرتا الكندية. “من خلال العمل بالأساس على اختراع عملية جديدة للتصنيع على مستوى النانو لبلورة ماسية واحدة، فقد صنعنا جهازًا يفتح آفاقًا جديدةً للتطور والتقدم في مجال ميكانيكيات التجاويف الضوئية”، يقول ميتشيل.

“فهو يقدم لنا وعودًا رائعة بإمكان تحقيق منصة على رقاقة للتحكم بتفاعل الضوء والاهتزازات والإلكترونات.” يقول خناليلو: “نحن متحمسون حول استخدام هذه الأجهزة بطرق ابتكارية لخلق توصيلات للحواسيب الكمّيّة.” “فمجرد صنع الجهاز ضمن مجتمع أبحاث ضوئيات النانو هو إنجاز بحد ذاته”، يقول باركلي. “أود أن أقول بأننا واحدة من أفضل المجموعات البحثية بالعالم، وذلك بفضل عمل الطلبة في خلق وصلات ضوئية لإدخال الضوء إلى هذه الأجهزة وإخراج الضوء منها.” مصدر القصة: تمت إعادة طباعة المقال أعلاه من المواد المقدمة من قبل جامعة كالغري الكندية. تمت كتابة المقال الأصلي من قبل مارك لووي (Mark Lowey). مرجع الدورية العلمية: 1. ماثيو ميتشيل، بهزاد خناليلو، ديفيد بي لَيك، تاميكو ماسودا، جيه بي هادن، بول إي باركلي “الميكانيكيات الضوئية لتجويف واطئ الانبعاث مصنوع من بلورة ماسية واحدة”. أوبتيكا، 2016.

 

المصدر: هنا