مبرد

أمين مكتبة في مستودع الكتب النادرة يأخذ مجلدًا من الرف ويعيده إلى مكانه دون أن يوقظ قطة نائمة بالقرب منه. هذا تقريبًا ما تفعله الذاكرة الكمومية الجديدة: تلتقط فوتونًا، تخفيه في اهتزاز ميكانيكي لجسر سيليكوني صغير، وتعيده عند أول طلب. الشبكات الكمومية تعد باتصالات آمنة وحوسبة موزعة، لكنها تفتقر إلى عقدة قادرة على تخزين الفوتونات عند طول موجة الألياف البصرية.

المشهد يغمره ضوء جليدي، وعلى خشبته يقف جمهور من السيليكون. كل فرد في هذا الجمهور هو مصفوفة من ثنائيات انهيارية صغيرة قادرة على رصد فوتون واحد، لكن فقط إذا انخفضت حرارة المحيط إلى 165 كلفن. في السابق، كان يُحضَّر هؤلاء المتفرجون للظهور بشكل فردي ويدوي، ولم يكن بمقدور أحد أن يضمن أنهم سيعملون بتناسق على خشبة كبيرة.

بِت مغناطيسي ينقلب بنفخة تيار خفيفة، لا بمغناطيس قوي. هكذا يعمل الجهاز الجديد من معهد أشباه الموصلات التابع للأكاديمية الصينية للعلوم: مغناطيس طبقي Fe3GaTe2 بقناة بلاتينية يغير حالته تحت تأثير نبضة كهربائية قصيرة. لا مجال مغناطيسي خارجي، ولا ملف ضخم، فقط تيار يجري عبر غشاء معدني.

ثقب أسود صغير يخترق سحابة هيدروجين فيمدد الذرات كما لو كانت حلوى مطاطية. هكذا يبدو الموصل الفائق عندما يُحتجز فيه تيار غير متبدد: المادة التي يتدفق فيها الكهرباء دون فقدان تتحول إلى مغناطيس دائم مصغر.

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.

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.

في مجهر مسح نفقي قادر على رؤية الذرات المفردة، تُحفظ ظروف قصوى: درجة حرارة حوالي -268 درجة مئوية وفراغ فائق الارتفاع. لترسيب ذرات حديد مفردة على السطح المدروس، يتطلب الأمر عادة مسارًا مباشرًا من المبخر إلى العينة. ومع ذلك، في الأجهزة الأكثر برودة، يكون هذا المسار محجوبًا بالدروع الحرارية، مما يجعل التبخير القياسي مهمة صعبة.

الماء الساخن بعد الاستحمام، والهواء الدافئ من التهوية، وجدران المحرك الساخنة — كلها حرارة منخفضة الجهد بدرجة حرارة أقل من 100 درجة مئوية. عادةً ما تتبدد في البيئة دون أن تؤدي عملًا مفيدًا. الآن ظهرت تقنية تسمح بالتقاط هذه الحرارة وتحويلها إلى كهرباء. داخل الجهاز الجديد يوجد سلك من سبيكة النيكل-تيتانيوم. هذه المادة تمتلك تأثير ذاكرة الشكل: عند التسخين تنكمش، وعند التبريد تعود إلى طولها الأصلي.

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.

في عالم الجسيمات الكمومية، هناك "انطوائيون" — وهم الإنيونات. هذه شبه جسيمات لا تشبه الإلكترونات أو البروتونات المألوفة: إذا تم تبادل مكاني اثنين من هؤلاء "الانطوائيين"، فإنهما يتذكران هذه المناورة، وكأنهما يتركان أثرًا غير مرئي في الحالة الكمومية للنظام.

الكمبيوتر الكمومي القائم على الذرات المتعادلة يشبه مدينةً يقوم فيها سعاة البريد — وهم الملاقط الليزرية — بنقل الطرود فعليًا بين العناوين. بينما يحمل أحد السعاة ذرةً عبر الشريحة بأكملها، يظل الباقون في انتظار. هذا بطيء ويولّد أخطاءً. البنية الجديدة تستبدل السعاة بموجة راديو مشتركة.

الشاي الساخن يبرد، والآيس كريم يذوب — فالحرارة تنتقل دائمًا من الدافئ إلى البارد، وقد بدا هذا القانون وكأنه لا يقبل الجدل. لكن في العالم الكمومي، يمكن إعادة كتابة حتى القواعد المألوفة. وضع الفيزيائيون مرنانًا ميكانيكيًا صغيرًا (جسرًا مهتزًا بحجم ميكروب) داخل تجويف بصري بين مرآتين.

راقصان على المسرح يجب أن يتحركا بتزامن لا تشوبه شائبة، لكن إذا تردد أحدهما لحظة، يفسد الأداء بأكمله. هكذا تقريبًا تعمل الحواسيب الكمومية على الذرات المتعادلة: يتم تشابك ذرتين بنقلهما إلى حالة ريدبيرغ (حالة ضخمة، مثل بالون مقارنة بذرة عادية)، ثم ننتظر حتى "ترقصا" رقصتهما. المشكلة أن هذه الرقصة تستغرق عادةً مئات النانوثواني. خلال هذا الوقت، قد تنفجر الذرة-البالون، لأن حالة ريدبيرغ غير مستقرة وتضمحل بسرعة.

في العالم الكمومي، يمكن للجسيمات أن تندمج في سائل واحد يتدفّق دون احتكاك. واحدة من أكثر أشكاله غموضًا هي سائل هول الكمومي الكسري (fractional quantum Hall liquid). فيه تتحرّك الإلكترونات أو الذرّات كدوّامة واحدة، وينقسم شحنه إلى أجزاء، مثل فطيرة مقطّعة إلى قطع متساوية تمامًا. لكن تحضير مثل هذا السائل في المختبر يشبه محاولة تركيب أحجية صورة حيث تخاف كل قطعة من اللمس.

قطعة سكر ممسوكة بين الأصابع شبه مؤكد أنها ستتفتت بدلاً من أن تنضغط بشكل متساوٍ. مشكلة مشابهة تواجه صانعي الحواسيب الكمومية. فهم بحاجة إلى تمديد أو ضغط رقائق السيليكون المصغرة قليلاً — حيث تُوضع عليها الكيوبتات لاحقًا. لكن «الملزمة» القياسية المصنوعة من البلورات الكهرضغطية (مواد يتغير حجمها تحت الجهد الكهربائي) مصممة للعينات الطويلة والرفيعة، وليس للرقائق المربعة السميكة.

يشبه الترانزستور الحقلي العادي صنبورًا بمقبض حساس للغاية: أدره قليلًا، يتدفق الماء. في الأعماق الباردة للحاسوب الكمومي، حيث يُبرَّد كل شيء تقريبًا إلى الصفر المطلق، يجب أن يفتح هذا الصنبور بدقة عند الأمر. لكن المهندسين في هذه الدراسة وجدوا أن الصنبور لديه خدعة: إذا ضغطت على المقبض بقوة ثم سلطت عليه ضوءًا، فإنه يعلق في وضع جديد ويبقى ثابتًا من تلقاء نفسه، دون جهد مستمر.

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.

في قدر الحساء، كل حبة هي مغناطيس صغير يريد أن ينعكس في الاتجاه المعاكس لجاره. سخّن الحساء، فتبدأ المغناطيسات في التحرك بعشوائية، خاضعة للحرارة. ولكن كيف نعرف مدى تمردها عند كل درجة حرارة؟ بالنسبة للمواد العادية، يُحسب ذلك على حواسيب قوية عبر استعراض الاحتمالات.

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.

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.

يشبه الحاسوب الكوانتي أوركسترا حيث يجب على كل عازف أن يعزف دوره بإتقان، وإلا انهار اللحن. سابقًا، كانت إدارة الكيوبتات — "العازفين" الكوانتيين — تتطلب غرفة مليئة بالمعدات، وكل سلك إضافي كان يضيف ضوضاء.

البلورة التي وعدت بنقل التيار الكهربائي دون فقدان في درجة حرارة الغرفة، تبين أنها تشبه بيتًا من ورق: المسها فتنهار. مركبان — أحدهما بالفضة والآخر بالذهب — كانا يُعتبران مرشحين للتوصيل الفائق، لكن الفحص أظهر أن كلاهما لا يتحمل حتى الظروف العادية. في النسخة الفضية، تنهار الشبكة البلورية ببساطة.

بلورة نحاسية تُضغط في ملزمة من الألماس. يزداد الضغط، وداخل المادة يدور صراع بين حالتين: إحداهما تُعدّ الإلكترونات للموصلية الفائقة، والأخرى تعيقها عن الاقتران. تابع العلماء هذا الصراع باستخدام ومضات ليزر فائقة القصر. التحليل الطيفي أظهر أن درجة الحرارة التي تظهر عندها فجوة الشبه-فجوة (حالة تكون فيها الإلكترونات محجوبة جزئياً) ترتفع مع الضغط.

تخيّل أنك تريد فحص ندفة ثلج دون أن تذوب أو تتضرر. هذا تقريبًا التحدي الذي يواجه العلماء الذين يريدون دراسة البروتينات المنفردة — تلك الآلات الجزيئية الدقيقة للحياة. البروتين في محلول يهتز باستمرار ويلتصق بجيرانه، وفي المجهر الإلكتروني يدمره الشعاع.

تنزل إبرة معدنية على قطعة من موصل فائق. يحدث كل هذا داخل مبرّد يبرّد العينة إلى 30 جزءًا من الألف من الدرجة فوق الصفر المطلق — أبرد بمئة مرة من الفضاء الخارجي. يُمرَّر تيار ضعيف عبر الإبرة، ومن خلال كيفية مرور الإلكترونات عبر بقعة التلامس الصغيرة جدًا، يقرأ الفيزيائيون ما يحدث داخل المادة.

المستشعر الذي يبحث عن جسيمات نادرة يشبه أذنًا تحاول التقاط همس في غرفة صاخبة. كلما كانت الإشارة أضعف، زادت صعوبة تمييزها عن الضوضاء العشوائية. في تجربة NUCLEUS، تُبرَّد هذه المستشعرات — وهي مسعّرات حرارية (calorimeters) — إلى ما يقارب الصفر المطلق، لتتمكن من رصد حتى نبضة حرارة خافتة من جسيم واحد. لتحسين سمع الجهاز، استخدم العلماء أسلوبين.

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.

يذوب مكعب الثلج في الشاي دون أثر. هكذا تنسى الأنظمة الكمومية عادة ماضيها بسرعة. ولكن في ظل الفوضى الشديدة، ينشأ تمركز الأجسام المتعددة — فتبدو الجسيمات وكأنها تتجمد، محافظةً على الذاكرة. استمرت التجربة على معالج IBM ذي 144 كيوبت لـ5000 دورة.

الموصلية الفائقة هي قدرة المادة على توصيل الكهرباء دون فقدان. الأسلاك العادية تسخن، ويذهب جزء من الطاقة في صورة حرارة، بينما الموصل الفائق يمرر التيار دون مقاومة. لكن حتى الآن، كان يُحصل على هذه الحالة فقط في درجات حرارة منخفضة جدًا أو تحت ضغط هائل، مما يعيق تطبيقها في الحياة اليومية.

المواد الكمومية مثل الزهور المدللة: لا تتفتح إلا في البرد. في درجة حرارة الغرفة، تُخفي خصائصها غير العادية، وعند التبريد الشديد تصبح موصلات فائقة أو تغيّر سلوكها المغناطيسي. لفهم كيفية عملها، نحتاج إلى فحص ذراتها في نفس البرد الذي تعيش فيه هذه الخصائص. المجهر الإلكتروني العادي لا يصلح لهذا الغرض: الهيليوم السائل الذي يُستخدم لتبريد العينة يهتز ويرتجف.

في المختبرات حيث تُبرَّد الذرات إلى ما يقارب الصفر المطلق، حتى التغير الطفيف في المجال المغناطيسي يخل بكل الإعدادات. المستشعرات التقليدية — مثل ألواح هول أو الملفات ذات النواة الفريتية — توضع على بُعد بضعة سنتيمترات من غرفة التفريغ، لأنها هي نفسها تُحدث تشويشًا. لكن هذا البعد يعني أنها لا تستشعر المجال في الموضع الذي توجد فيه الذرات بالضبط.

الماء في قدر عند تسخينه لا يغلي، بل يتحول إلى جليد. هذا تقريبًا ما تفعله الذرات فائقة البرودة في شبكة بصرية (optical lattice) — وهي شبكة بلورية ضوئية تثبّت الذرات في أماكنها. قام العلماء بمحاكاة هذا النظام على الكمبيوتر لفهم كيف يتغير النظام مع ارتفاع درجة الحرارة.

غشاء رقيق من أشباه الموصلات بسماكة ذرة واحدة يشبه شقة مشتركة: تعيش فيه إلكترونات سالبة الشحنة و«ثقوب» موجبة الشحنة. عندما يسقط الضوء على مثل هذا الغشاء، يمكن للإلكترون والثقب أن يتحدا في زوج — إكسيتون (حالة مرتبطة من إلكترون وثقب، تشبه ذرة الهيدروجين).

الكمبيوتر الكمومي مثل أوركسترا، حيث يجب على كل عازف أن يدخل في الوقت المحدد تمامًا. أدنى حفيف في القاعة يشتت انتباه عازف الكمان، ويتفكك اللحن. في رقائق السيليكون، يلعب الضجيج الكهربائي دور هذه الحفيفات: تقلبات عشوائية في الشحنة داخل المادة. إنها تجعل البتات الكمومية ترتكب أخطاءً. قرر المهندسون معرفة كيف يرتبط تصميم الرقاقة نفسه بهذا الضجيج.

جهاز قياس الزلازل (seismometer) هو أذن الكوكب. فهو يلتقط أدق ارتعاشات التربة ويحولها إلى إشارة كهربائية. لكن هذه الأذن ليست مثالية: فحساسيتها تعتمد على درجة الحرارة. في الصقيع وفي الحر، يسمع الجهاز بشكل مختلف قليلًا، وهذا يُدخل خطأً في القياسات.

الجزيئات فائقة البرودة مادة واعدة للحوسبة الكمومية، لكن جمعها في مصفوفة مرتبة مثل البيض في العلبة ليس بالأمر السهل. تم اقتراح طريقة لتحميل جزيء واحد في الملاقط الضوئية أو الشبكات مباشرة من الغاز. الجزيئات في هذه الحالة تكون فورًا في حالة الحركة الأكثر هدوءًا. السر يكمن في التنافر القوي بين الجزيئات المحمية بالموجات الدقيقة.

عند درجة حرارة 0.1 كلفن — أي أعلى بثلاثة أعشار الدرجة من الصفر المطلق — تتوقف المادة عن الخضوع للقواعد المألوفة. يصبح الهيليوم فائق الميوعة: يتدفق دون احتكاك، ويتسرب عبر الشقوق، ويتصرف كسائل كمومي عملاق واحد. رؤية ما يحدث داخل هذا البرد الشديد مهمة على حافة المستحيل. بنى العلماء جهازًا يحل هذه المهمة مباشرة.

البت الكمومي يشبه قمة دوارة يجب أن تدور لفترة طويلة دون أن تتمايل. في الجرمانيوم، تعلمنا كيفية إطلاق مثل هذه القمم، لكن الأرضية من حولها تهتز دائمًا: التداخلات الكهربائية تعطل الدوران. لجعل الأرضية أكثر استواءً، عادةً ما تُوضع طبقة سميكة من السيليكون-الجرمانيوم في الأعلى، وهي مثل سجادة تخفف الخطوات.