قياس ميكروويف مبرد

ألماسة صغيرة لا تُرى بالعين المجردة، تستلقي على شريحة إلكترونية وتستشعر الحرارة بشكل لا يستطيعه أي مقياس حرارة عادي. داخلها عيبان مخفيان، مكانان استُبدل فيهما ذرة كربون بذرة نيتروجين، وبجانبها فراغ. يعمل هذان العيبان كزوج من الإبر الحساسة: تحت تأثير الموجات الدقيقة يهتزان، ويتغير تردد اهتزازهما عندما يسخن الألماس أو يبرد. يُسمى هذا العيب مركز NV (نيتروجين-فراغ).

بدلاً من الحمام الجليدي، قميص غازي دافئ. هكذا أصبحوا الآن يبردون مقارن التيار المبرد في المعهد الوطني للقياس في اليابان. سابقًا، كان هذا الجهاز، الذي يقارن التيارات الكهربائية بدقة تصل إلى أجزاء من المليار، يتطلب الغمر في الهيليوم السائل. أما اليوم فهو يعمل داخل مبرد مغلق حيث لا يبرده سائل بل غاز. مقارن التيار المبرد هو ميزان للكهرباء.

السفينة في القارورة لا تُجمَّع من الخارج بل من الداخل: عبر العنق الضيق تُمرَّر الصواري والأشرعة، وداخل الزجاج تنتصب من تلقاء نفسها في الوضع الصحيح. وبطريقة مشابهة تقريبًا، تصرف الكيميائيون مع جزيء كوبالتوسين منفرد، إذ أدخلوه في الفجوة بين طبقات بلورة ثنائية الأبعاد.

فرن الميكروويف يسخّن الطعام، لكن في المختبر فعلت الموجات الميكروية شيئًا آخر: حوّلت الموصل الفائق إلى مغناطيس دائم. غشاء من أكسيد الإيتريوم-الباريوم-النحاس بسمك 300 نانومتر، مبرَّد إلى 80 كلفن، استجاب لإشعاع بتردد 5 غيغاهرتز.

الكاشف فائق التوصيل يعمل عادةً كمسطرة أمينة: يمتص فوتونًا فيصدر نبضة، سعة تتناسب تناسبًا صارمًا مع الطاقة. هذا الوضع مريح، لكن له سقف: الإشارة الضعيفة تضيع بسهولة في ضجيج المضخم. الآن لنتخيل أرجوحة. طالما تتأرجح بها بلطف، فإنها تعود بطاعة إلى النقطة السفلية.

المصباح العادي يضيء بشكل متواصل، بينما المنارة (lighthouse) تومض بومضات قصيرة. علماء في لندن جعلوا ألماسة صغيرة تعمل كمنارة، لكن ليس للضوء، بل للموجات الراديوية. للقيام بذلك، أضافوا القليل من النيتروجين إلى الكريستال، ثم أضاءوه بليزر أخضر الليزر.

مختبر الكم يشبه مطبخًا ينتظر فيه الطباخ يومًا كاملًا حتى يبرد الموقد. الكيوبتات فائقة التوصيل لا تعمل إلا عند درجات حرارة تبلغ أجزاء من المئة من الكلفن، وكل دورة «تبريد – قياس – تدفئة» تستهلك يومًا. مجموعة من المهندسين بنت ثلاجة بحجم البطيخة وكتلة 3 كجم تنجز المهمة في ساعتين. في الداخل، بدلًا من البرج المعتاد بالأنابيب، تصميم مقلوب: أبرد نقطة في الأعلى، والمراحل الدافئة في الأسفل.

الثقب الأسود متاهة لا يمكن الخروج منها. لكن ماذا يحدث للمعلومات داخله؟ لاختبار ذلك، لم يذهب الفيزيائيون إلى أقرب ثقب، بل بنوا نسخة مصغرة منه على معالج كمومي. قام بدور المتاهة سلسلة من 32 كيوبتًا فائق التوصيل، حيث كل خطوة تقود إلى الأمام فقط — مثل ممر باتجاه واحد. أفق الحدث هو الحد الذي لا يعبره الضوء عائدًا.

جهاز التداخل الكمومي فائق التوصيل هو أداة تلتقط مجالًا مغناطيسيًا أضعف بمليارات المرات من إبرة البوصلة العادية. بداخله جسر ضيق تنقطع فيه فجأة خاصية التوصيل الفائق. يعمل هذا الجسر مثل بوابة دوارة لتدفق المغناطيسي: بعدّ كمية الكمات التي مرت، يقيس الجهاز المجال. لكن المشكلة أن الجسر يُصنع من قطعتين من الموصل الفائق تُلحمتان تحت المجهر.

البلازما بالموجات الدقيقة في تدفق دوامي هي بمثابة خلاط عالي الحرارة: يدور الغاز في المفاعل، وتقوم الموجات الدقيقة بتسخينه إلى آلاف الدرجات، مما يؤدي إلى تفكيك جزيئات ثاني أكسيد الكربون (CO₂) إلى مكوناتها. بنى العلماء نموذجًا حاسوبيًا لهذا المفاعل لفهم كيفية تأثير الضغط على عملية التفكيك.

أجهزة الكمبيوتر الكمومية ترتكب أخطاء. كل كيوبت يشبه كرة على رأس قلم رصاص: إذا اهتزت اليد قليلاً، تتدحرج الكرة. لمنع الكرات من السقوط، نحتاج إلى من يلاحظ الاهتزاز ويصحح الوضع في الوقت المناسب. في الحوسبة الكمومية، يقوم بهذا العمل وحدة فك الترميز (decoder) — برنامج ينظر إلى نتائج القياسات ويحدد مكان حدوث الخطأ. Snowflake هو أحد وحدات فك الترميز هذه.

ومضة الضوء القصيرة تشبه عبارة موسيقية: يمكن تمييز نغماتها المنفردة إذا أنصتنا بانتباه شديد. لكن في العالم الكمومي، هذه "النغمات" — الأنماط الزمنية — مضغوطة إلى بيكو ثانية (أجزاء من تريليون من الثانية)، ولا تكاد البصريات العادية تميزها. بنى العلماء جهازًا يعمل كمرشح موسيقي: يمرر نغمة واحدة مختارة من الوتر دون أن يكتم الباقي، بل ببساطة لا يسمح لها بالمرور.

جهاز استقبال راديوي بحجم كف اليد قادر على قياس قوة الإشارة بدقة تفوق مناضد المختبرات باهظة الثمن. لا توجد بداخله ملفات ولا هوائيات — فقط رأس زجاجي وسحابة من ذرات الروبيديوم مُبرَّدة إلى ما يقارب الصفر المطلق. تطفو الذرات في نقطة تقاطع أشعة الليزر، محتجزةً ليس بالمغناطيس بل بقوة الضوء — مثل ذبابة صغيرة في قطرة شراب.

الجزيء القطبي هو دمبل مجهري بشحنات كهربائية متباعدة: في أحد الطرفين شحنة موجبة، وفي الطرف الآخر سالبة. هذا التباين يجعلها عدوانية: عند الاقتراب، إما تلتصق الجزيئات ببعضها أو تتناثر لمسافات كبيرة، لأن القوى الكهربائية بينها قوية جدًا. لكن مؤلفي الدراسة وجدوا طريقة لتحويل هذه العدوانية غير المنضبطة إلى لعبة متحكم فيها.

وزنان صغيران جدًا، كلٌّ منهما بوزن حبة رمل، معلّقان في الظلام عند درجة حرارة أبرد من الفضاء الخارجي. لا يلمسان بعضهما، لكن بينهما خيطًا غير مرئي — الجاذبية. التجربة التي يبنيها الفيزيائيون الآن تهدف إلى التقاط اللحظة التي يهزّ فيها هذا الخيط أحد الوزنين بسبب حركة الآخر.

تبعث الخلية الحية باستمرار إشارات مغناطيسية ضعيفة، كأنها تهمس. يتنصت العلماء على هذا الهمس بواسطة "ميكروفونين" مجهريين - هما مستشعران للمجال المغناطيسي. أحدهما صُنع من الطبيعة (بروتين)، والآخر ذرة غبار ماسية من صنع الإنسان فيها عيب (من الكربون النقي) يحولها إلى هوائي.

تحتاج التقنيات الكمومية بشدة إلى "مترجم" عالمي بين لغة الموجات الميكروية ولغة الضوء. تتواصل الكيوبتات فائقة التوصيل باستخدام الموجات السنتيمترية، بينما تنتقل الفوتونات في الألياف البصرية بترددات ضوئية. ويمكن أن يكون الجسر هو الحالات الكمومية للماجنونات - وهي إثارات جماعية للسبينات في البلورات المغناطيسية.

من السهل أن تفقد أوركسترا الإلكترونات المتناغمة في الموصل الفائق إيقاعها. فالصدمات الحرارية تدمر النظام الهش، ويعود المقاومة. لعقود، بحث العلماء عن طرق لتقوية هذا الفريق، غالبًا عن طريق تغيير تركيب المادة أو ضغطها إلى ضغوط لا يمكن تصورها. لكن هناك أداة ثالثة شبه غير ملموسة: الفراغ الممتلئ بالطنين الكهرومغناطيسي.

مغناطيس بحجم حبة أرز يطفو في الفراغ دون أن يلمس الجدران. يمسكه مجال مغناطيسي من مصيدة فائقة التوصيل — حلقة مبرَّدة إلى حالة تتدفق فيها الكهرباء دون مقاومة. الطفو ضروري لإزالة الاحتكاك: بدونه، حتى دفعة ضعيفة تجعل المغناطيس يتأرجح لفترة طويلة جدًا، مثل شوكة رنانة بعد ضربة.

تسيطر القوانين الكمومية بلا منازع على العالم المجهري، لكن الأجسام العيانية تتصرف عادةً بشكل تقليدي: فالحركة الحرارية للذرات تكتم التأثيرات الكمومية. ولكي يُظهر جسم كبير خصائص كمومية، يُبرَّد تقليديًا إلى ما يقارب الصفر المطلق في مبرّدات، مما يكبح التقلبات الحرارية.

كرة صغيرة كتلتها أجزاء من الملليغرام، معلقة في مجال مغناطيسي ومبرَّدة إلى ما يقارب الصفر المطلق، تؤدي اهتزازات متواصلة لمدة 110 ساعة دون توقف — وهذا مستوى قياسي من العزل عن البيئة الخارجية.

الشوكة الرنانة تعلو نبرتها وتخفت ليس لأن أحدًا توقف عن الإمساك بها، بل لأن اليد نفسها التي تضربها تخلق حولها معلقًا غير مرئي يخمد الاهتزازات. هذا تقريبًا ما يفعله الرنان فائق التوصيل (superconducting resonator) — مسار صغير تجري فيه إشارة الميكروويف بخسائر شبه معدومة.

صفوف الأسلاك الممتدة من الغرفة الدافئة إلى الثلاجة التي تحتوي على الرقاقة الكمومية تذكرنا بمقسم هاتف متشابك من القرن الماضي. كان كل كيوبت يتطلب قناة تناظرية خاصة به لضبط دقيق، وكانت الكابلات تحمل حرارة زائدة وتتشابك تحت الأيدي. الآن وضع الباحثون محولاً رقمياً-تناظرياً مباشرة في المنطقة الباردة، بجوار الكيوبتات.

الذاكرة العادية في جيبك تسخن حتى عندما تكون خاملة. تخيل الآن ذاكرة لا تستهلك شيئًا تقريبًا في البرد - مثل ترمس لا يبرد. الموصل الفائق عند درجة حرارة الهيليوم السائل يوصل التيار دون فقدان، لكنه لم يكن قادرًا على تخزين البيانات. الخلية الجديدة تغير هذا.

يزيل الجراح ورم الثدي، ولكن كيف يعرف أنه لم تبقَ أي خلية سرطانية على الحافة؟ حاليًا، يُرسل النسيج إلى المختبر، ويأتي الجواب بعد عدة أيام. إذا كانت الحافة غير نظيفة — يلزم إجراء عملية ثانية. الطريقة الجديدة تعد بإعطاء الجواب مباشرة في غرفة العمليات، بينما لا تزال المريضة على الطاولة. يعمل الجهاز مثل «مصباح» بالموجات الميكروية: يضيء قطعة النسيج المستأصلة بإشعاع غير مرئي، وبكسل واحد فقط يلتقط الإشارة المنعكسة.

مئات الأشخاص على حلبة الرقص يقفون على مسافات متساوية بينهم — نظام صارم، مثل الشبكة البلورية. الموسيقى البطيئة هي الاهتزازات الحرارية، التي تجعل الراقصين يتمايلون قليلًا. إذا أصبحت الموسيقى أعلى وأسرع، ينهار النظام: يختلط الجميع. هكذا تدمر الحركة الحرارية الحالات المنتظمة للإلكترونات في المواد الصلبة.

حشد في شارع ضيق يتحرك ببطء لأن الناس يتصادمون ببعضهم البعض. في السيليكون، تنتقل الحرارة عبر «تصادمات» مشابهة — اهتزازات ذرية تُسمى الفونونات (phonons). إذا قُطعت ثقوب صغيرة في غشاء السيليكون، ستصطدم الفونونات بها كما يصطدم المشاة بالأعمدة، وسيصبح انتقال الحرارة أضعف.

المجال المغناطيسي للأرض، الذي يحرك إبرة البوصلة، قوي. المستشعر الجديد يلتقط مجالات أضعف بمئة ألف مرة، ولا يحتاج لذلك لا إلى هيليوم سائل ولا إلى منشآت ضخمة. كل شيء يتسع على لوحة دوائر مطبوعة — مثل تلك الموجودة داخل الهاتف الذكي. السر في زوج من مرنان نحاسي وبلورة من غارنيت الحديد والإتريوم. المرنان هو تجويف تتردد فيه الموجات الدقيقة مثل صدى في قاعة فارغة.

وتر الغيتار يصدح لفترة أطول إذا لم تلمسه كثيرًا. وهكذا تقريبًا يتصرف الرنان (resonator) — وهو جهاز يهتز على تردد واحد، مثل الشوكة الرنانة. قامت مجموعة من المهندسين بصنع مثل هذه "الشوكة الرنانة" من نيتريد الألومنيوم، بحجم أصغر من حبة الرمل، وأجبروها على الاهتزاز 16 مليار مرة في الثانية. هذا هو التردد الذي ستعمل عليه شبكات الهاتف المحمول من الجيل السادس.

الكيوبتات في الحاسوب الكمومي فائق التوصيل تشبه أوتارًا مشدودة بإحكام. عندما يمر جسيم من الفضاء أو من اضمحلال عنصر مشع، فإنه يضرب هذه الأوتار فتبدأ في الاهتزاز. هذا الاهتزاز يكسر الحالات الكمومية الهشة، وتضطرب الحسابات. كلما زاد عدد الكيوبتات في الجهاز، زادت احتمالية أن يصيب جسيم ما هدفه. تتبع العلماء كيفية تضاؤل الاهتزاز بعد الضربة بالضبط.

في مسرّع فيرميلاب، تضرب حزمة من الجسيمات هدفًا من الأمونيا المجمدة. نوى الهيدروجين فيه تشبه قممًا دوّارة صغيرة، ويحتاج الفيزيائيون إلى أن تدور جميعها في اتجاه واحد. عندها ستكشف التصادمات عن كيفية تركيب سبين البروتون. لكن جعل مليارات القمم الدوّارة تتجه في اتجاه واحد يشبه محاولة تنظيم حشد في ملعب بصافرة واحدة. الموجات الدقيقة بتردد 140 غيغاهرتز تعمل كعصا قائد الأوركسترا.

الليزر العادي هو مضخم للضوء، حيث تبعث الذرات، بعد تلقيها الطاقة، موجات من تردد واحد بشكل متناسق. يفعل المازر الشيء نفسه، لكن بالنسبة للميكروويف — إشعاع غير مرئي يسخن الطعام في فرن الميكروويف وينقل الإشارات في الهواتف. في العمل الجديد، بنى الفيزيائيون مازرًا ليس من غاز أو بلورة، بل من دائرة كهربائية فائقة التوصيل، حيث يعمل عنصر اصطناعي متعدد مستويات الطاقة بدلاً من الذرة الحقيقية.

يعرف الطباخ في المطبخ: ما إذا كانت العجينة ستلتصق بالمقلاة يعتمد على ما يحدث عند الحدود بين الوسطين. بالنسبة للمعادن المصهورة، ظلت هذه الحدود غير مرئية لفترة طويلة — فدرجة الحرارة الأعلى من 200 درجة مئوية لم تسمح برؤية الذرات المنفردة. الآن، صنع مهندسون يابانيون مجهر قوة ذرية يعمل كإصبع فائق السرعة: يتحسس السطح الساخن مئات المرات في الثانية ولا يسخن. السر في حيلتين.

تتوهج اليراعات في غابة مظلمة — نرى كل ومضة، لكننا لا نرى الطيران. المجهر الغازي الكمومي قادر على إظهار ذرات باردة منفردة، مثل تلك اليراعات. لكنه حتى الآن لم يكن قادرًا على تحديد سرعة حركتها. الآن وجد العلماء طريقة لإصلاح ذلك. يقترحون إضاءة الذرات بطريقة خاصة بحيث تُلقي "ظلًا" على جسيمات مساعدة مجاورة. من هذا الظل يمكن استنتاج ليس فقط موقع الذرة، بل أيضًا زخمها — أي اتجاه وسرعة الحركة.

بعد الانفجار العظيم كان الكون يغلي 'كحساء' ناري من الجسيمات الأساسية. ومع توسعه وبرودته، تجمد الحساء تدريجياً إلى بروتونات ونيوترونات — أشبه بالتبلور. لو كان التجمد فورياً، كما تتشقق بحيرة من شدة الصقيع، لاهتز نسيج الزمكان. وكان هذا الاهتزاز سيولد موجات ثقالية — تموجات تستغرق قمتها الواحدة سنوات.

الحاسوب الكمومي يشبه أوركسترا يعزف فيها كل موسيقي دوره، لكن بمجرد أن يلوّح قائد الأوركسترا بعصاه بقوة زائدة، تختل آلات دقيقة بسبب الحرارة الزائدة. التحكم في الكيوبتات عند درجة حرارة 10 مكلفن (أبرد 300 مرة من الفريزر) — أشبه بقيادة أوركسترا في قاعة جليدية، حيث حتى النفس قد يفسد كل شيء.

الإلكترون الواحد في مجال مغناطيسي يشبه قمة دوّارة صغيرة تدور وتصدر «صريرًا» ضعيفًا بترددها الخاص. يكاد يكون من المستحيل سماع هذا الصرير مباشرة: فهو يغرق في الضوضاء. ابتكر العلماء رنانًا — شريطًا ميكروويفيًا فائق التوصيل يعمل مثل شوكة رنانة مضبوطة على نفس النغمة. عندما يقترب الإلكترون، يجعل صريره الشوكة الرنانة تصدر صوتًا أعلى، فيصبح الإشارة ملحوظة.

يشبه التيار الكهربائي في الموصل الفائق حشدًا يركض في ممر دون احتكاك. لكن في الموصلات الفائقة من النوع الثاني توجد عوائق — دوامات صغيرة من المجال المغناطيسي يزيحها التيار من مكانها. بمجرد أن تتحرك الدوامة، تظهر مقاومة، وينخفض التيار. لذلك تُظهر القياسات العادية تيارًا أقل بشكل ملحوظ من الحد الذي تتحلل عنده الموصلية الفائقة.

يعمل مقياس المغناطيسية الكمومي القائم على أنوية الهيدروجين كسماعات إلغاء ضوضاء نشطة. فهو 'يستمع' إلى المجال بطريقتين مختلفتين بالتناوب: الضوضاء متشابهة فيهما، بينما الإشارة المفيدة مختلفة. بطرح إحداهما من الأخرى، يعزل الجهاز الإشارة ويُضعف التشويش بأكثر من 1000 مرة.

اللحام التقليدي لا يصلح للدوائر الكمومية: فعند التبريد إلى درجة حرارة الهيليوم السائل يتشقق المعدن، والتماسات نفسها تُدخل ضوضاء. جرّب مهندسون من مجموعة بحثية نهجًا آخر — قطرة من سبيكة غاليوم تبقى سائلة في درجة حرارة الغرفة، مثل الزئبق في ميزان حرارة قديم.