ذاكرة كمومية من الألماس

تخيل دوامة لا يجلس عليها الأطفال، بل إبر مغناطيسية صغيرة داخل غبار الألماس. عادةً ما تكون هذه الإبر موجهة بشكل عشوائي، وتضيع إشارتها في الضوضاء. لكن إذا مالت الدوامة بزاوية خاصة وأُضيئت في نفس الوقت بليزر أخضر، تبدأ الإبر في الاصطفاف في اتجاه واحد. هذا بالضبط ما فعله الفيزيائيون بجسيمات الألماس، بتدويرها بزاوية 54.74 درجة بالنسبة للمجال المغناطيسي.

تندفع ومضة الأشعة السينية عبر المادة في أجزاء من مليار من الثانية. لتخزينها، يجعل الفيزيائيون الذرات تمتص هذا الضوء لفترة قصيرة ثم تطلقه مرة أخرى. لكن استرجاع الفوتون عند الأمر يشبه إخراج كتاب تريده من خزانة تتحرك أرففها من تلقاء نفسها. الطريقة المعتادة هي تحريك عدة ممتصات بدقة هائلة، مثل أوركسترا منسقة. أي خطأ في الحركة يعني فقدان الفوتون.

الإلكترون الزائد في الجزيء يشبه راكبًا يتشبث بالباب الخارجي لقطارٍ مُقلع. هذا «الراكب» يحوّل الجسيم إلى أنيون — أيون سالب الشحنة. ومن الصعب دراسته: الرابطة ضعيفة، والسحابة الإلكترونية مشوشة، وأي صدمة قد تزيح الإلكترون بعيدًا.

إنشاء عقدة لشبكة كمومية أشبه بتعليم بهلوان التوازن على حبل كربوني فوق هوة. قدم واحدة يجب أن تنفصل بسهولة عن الحبل، راميةً فوتوناتٍ كرسل إلى العالم الخارجي. والأخرى تتشبث بقوة، خازنةً المعلومات الكمومية الثمينة.

الماس رمز الكمال، لكن سحره الحقيقي يتجلى من خلال عيوبه. النقاء المثالي للشبكة البلورية يمنحه الشفافية والصلابة، بينما العيوب - مثل مراكز الألوان - تفتح نافذة إلى العالم الكمومي، وتصبح أساساً لـ الحواسيب الكمومية والمستشعرات الكمومية. لعقود، تجادل العلماء حول طبيعة العيوب المستوية - 'الصفائح' الشهيرة في الماس.

في الألماس، كما في أي بلورة، تنشأ حتمًا عيوب في الشبكة البلورية: فراغات (مواضع خالية حيث تفتقد ذرة) أو ذرات شائبة احتلت مكانًا غريبًا. عندما يلتقط مثل هذا العيب إلكترونًا، يمكن أن يُظهر خصائص كمومية — مثل التألق (إصدار ضوء) أو اكتساب مغناطيسية، مما يجعله واعدًا للأجهزة الكمومية.

في الأجهزة الكمومية الماسية يوجد خلل صغير — مركز النيتروجين-الشاغر (ذرة نيتروجين بالإضافة إلى فراغ مكان ذرة كربون). يعمل كمفتاح يتبدل تلقائيًا بين حالتين: قد يحمل إلكترونًا إضافيًا أو لا يحمله، ويعتمد على ذلك توهجه من عدمه. لكن إذا وجدت شائبة نيتروجين قريبة، يبدأ المفتاح في عيش حياته الخاصة.

ألماسة صغيرة تحتوي على عيب — ذرة نيتروجين بجوار فراغ في البلورة. يعمل هذا العيب، مركز NV، كإبرة مغناطيسية: تحت الضوء الأخضر يتوهج باللون الأحمر، ويعتمد سطوع التوهج على اتجاه مجاله المغناطيسي. وبهذه الطريقة تُقاس المجالات المغناطيسية بدقة عالية — على سبيل المثال، لمراقبة عمل خلية عصبية واحدة أو للبحث عن شقوق خفية في المواد.

البلبل الدوار على سطح مثالي يسقط عند أقل اهتزاز. وهكذا فإن البت الكمومي المُنشأ على عيب في الألماس: حالته تدمرها الفوضى المغناطيسية الناتجة عن الشوائب والتشويشات الخارجية. للحفاظ على هذا "البلبل"، قام العلماء بتنمية ألماس يخلو تقريباً من نظير الكربون-13 - مغناطيسات صغيرة تسبب الضوضاء.

عادةً ما يعمل الليزر على التسخين. لكن في بعض البلورات، يمكن للضوء أن يحمل الحرارة بعيدًا — كما لو أن إبريق الشاي يبرد تحت ضوء مصباح ساطع. في الألماس، تقوم العيوب بهذه المهمة: أماكن يحل فيها ذرة نيتروجين محل الكربون، وبجانبها فراغ. أظهرت التحليل الطيفي أنه عند تسليط ليزر بطول موجة أقل قليلاً من طول موجة الرنين، يصدر العيب ضوءًا بطاقة أعلى مما امتصه.

في الشبكة البلورية للألماس، تظهر عيوب بين الحين والآخر: تلتقط ذرة نيتروجين مكانًا غريبًا، ويبقى فراغ بجانبها. يتحول هذا الخلل إلى بوصلة ألماسية فائقة الحساسية الألماس - ترتجف إبرتها المغناطيسية عند أدنى مجال خارجي. ومن المفارقات أن هذا العيب، الذي يقلل من قيمة الحجر، أصبح أداة مرغوبة لدى الفيزيائيين.

بلورة تشبه من الداخل إسفنجة ذات متاهة من المسام، تبين أنها قادرة على إجراء الحسابات. المادة المسماة DUT-8 تتكون من عقد معدنية وجسور عضوية تشكل شبكة مخرمة. تحت تأثير غازات مختلفة، يتغير شكل هذه الشبكة قليلًا — مثل بيت من ورق يعيد ترتيب نفسه عند نسمة هواء خفيفة. وجّه العلماء أشعة سينية إلى العينة وتابعوا تشتتها.

ثلاث ذرات أيتربيوم مشحونة مصطفة على شكل مثلث داخل مصيدة كهرومغناطيسية. عادةً ما تتواصل جميعها مع بعضها البعض، مثل ثلاثة أشخاص حول طاولة واحدة يتبادلون الأحاديث باستمرار. لكن إذا خرج أحدهم إلى الغرفة المجاورة، يستمر الحديث بين الاثنين الباقيين.

حلقة بحجم طبق العشاء جعلت حزمة الإلكترونات تدور في مسار دائري. قطرها 22 سنتيمترًا، وتستغرق الدورة الكاملة 4.7 نانوثانية فقط. للمقارنة: في ثانية واحدة، يمكن لهذا الإلكترون أن يكمل أكثر من مئتي مليون دورة. لإدخال الجسيمات إلى الداخل، استُخدم نبضة كهربائية قصيرة مدتها 140 نانوثانية. عملت هذه النبضة كدفعة حادة تقذف كرة صغيرة في مسار منزلق.

المجال المغناطيسي غير مرئي، لكن يمكن جعله «يضيء» باستخدام عيوب متناهية الصغر في الألماس تُعرف بالمراكز النيتروجينية-الشاغرة (nitrogen-vacancy centers). يعمل كل عيب من هذه العيوب كبوصلة مصغّرة تُخبر باتجاه المجال. المشكلة أن هذه البوصلات كثيرة، وقراءتها جميعًا واحدًا تلو الآخر يشبه نسخ كل حرف يدويًا في كتاب ضخم.

حبيبة ألماس أصغر من جزء من مئة من المليمتر تتوهج باللون الأحمر. بداخلها عيب في البلورة: ذرتا كربون متجاورتان، حيث تنقص إحداهما، وبجوارها ذرة نيتروجين. هذا الثنائي يلتقط الضوء ويعيده، مثل منارة صغيرة لا تنطفئ في درجة حرارة الغرفة. قُرِّبت هذه الحبيبة من مسار على سطح الشريحة. المسار مصمم بحيث يسير الضوء فيه في اتجاه واحد فقط — مثل شارع باتجاه واحد.

في غرفة سندان الألماس، يضغط الضغطُ المادةَ كما لو كانت مدفونة على عمق مئات الكيلومترات داخل الأرض. داخل هذه الغرفة تعمل مستشعرات دقيقة من الألماس — مراكز لونية تستجيب للموجات الميكروية وتكشف عن المجالات المغناطيسية ودرجة الحرارة المحيطة. لكن إيصال الموجات الميكروية إلى المستشعر عبر الفجوة الضيقة بين الألماسات يشبه إدخال إشارة راديو من ثقب المفتاح.

حبيبة ألماس بالغة الصغر، أصغر من ذرة غبار، تحوم في مصيدة مغناطيسية مصنوعة من شرائح دقيقة. داخل البلورة عيب وحيد يعمل كمنارة. يجعل العلماء الألماسة تتواجد في مكانين في آنٍ واحد، مثل كرة ساحر توجد تحت كأسين في الوقت نفسه دون أي خداع. هذا ليس مجرد خدعة.

سخّن ساعة كوارتز عادية بعشر درجات، وستبدأ بالتأخر ثوانٍ في اليوم. الساعات الذرية أدق، لكنها تشغل خزانة كاملة. الألماس بعيب صغير — الفراغ النيتروجيني — يعد بدقة الساعات الذرية في حجم حبة رمل. مشكلة واحدة: هذا العيب حساس جداً للحرارة، مثل شوكة رنانة تغيّر نغمتها مع حرارة الهواء. في العمل الجديد، جعلوا العيب يصدح بصوتين في آنٍ واحد.

كل خلية هي شوكة رنانة مصغرة. تجعلها نبضة مغناطيسية حادة 'ترن'، ويعتمد خفوت هذا الصوت على ما بداخلها: اللزوجة، الكثافة، التكوين. يعمل الماس الصغير ذو عيب بنيوي كميكروفون فائق الحساسية، يلتقط الأصداء المغناطيسية من الخلايا الفردية. هذا العيب - فراغ نيتروجيني - صغير جدًا لدرجة أن الملايين منه تتسع على رأس إبرة.

يمكن دمج مستشعر مصغر في الشبكة البلورية لألماس الكربون. إذا استُبدلت ذرة كربون واحدة بذرة نيتروجين، وتُركت العقدة المجاورة في الشبكة فارغة، يتشكل مركز النيتروجين-الفراغ، وهو عيب يمتلك حالات سبينية حساسة للمجال المغناطيسي الخارجي، وقادر على إصدار ضوء استجابةً لتغيراته.

تفرض الحوسبة الكمومية متطلبات صارمة على وسائط تخزين المعلومات. في الشبكة البلورية للألماس — وتحديدًا في الكربون ذي العيوب المُنشأة اصطناعيًا — تُرمَّز البتات باتجاه العزوم المغناطيسية المجهرية، أو ما يُعرف بـ المغزل (Spin)، المتركزة على هذه العيوب.

حشد من واحد وثلاثين مستشعرًا كموميًا يهمس في صفيحة ألماس. في السابق، كان هذا الهمس يغرق في ضجيج الأضواء الكاشفة: الارتفاعات العشوائية للفوتونات التي كانت تُستخدم لقراءة حالة السبينات كانت تطغى على الضجيج الكمومي الذاتي للمجموعة. الآن، تعلم الفيزيائيون كيفية إطفاء الأضواء الكاشفة والاستماع إلى الحشد نفسه.

على رقاقة ألماسية بقياس اثنين في اثنين ملليمتر، تتسع أوركسترا كاملة من تسعة وأربعين كمانًا. كل وتر مضبوط على نغمة معينة، أي على جزء معين من الحمض النووي. عندما يدخل اللحن المطلوب إلى القاعة، يستجيب الوتر، ويسمع قائد الأوركسترا صوتًا نقيًا. هذا القائد هو مستشعر كمومي مختبئ داخل الألماس نفسه.

داخل سندان الألماس، وهو جهاز يضغط فيه ألماسان العينة حتى مئات الغيغاباسكالات، يتوزع الضغط بشكل غير متجانس؛ فبعض المناطق تكون مضغوطة بشدة، وبعضها الآخر أقل. وهذا يؤثر في نتائج التجارب: فقد يتصرف المادة بشكل مختلف عما لو كان الضغط متجانسًا تمامًا. وحتى وقت قريب، كان بناء خريطة الضغط داخل الغرفة ممكنًا فقط عبر نقاط منفصلة، مثل توهج الياقوت.

الحاسوب الكمومي يشبه الأوركسترا حيث تعزف الآلات الوترية والهوائية بلغات مختلفة. المعالجات فائقة التوصيل تتعامل مع فوتونات الميكروويف في دوائر سنتيمترية، بينما الكيوبتات اللفية المغزلية — مثل مراكز النيتروجين-الشاغرة — تخزن المعلومات على مقياس ذرات مفردة. التواصل المباشر بينها مستحيل كما هو الحوار بين الحوت والنملة.

داخل الألماس توجد أحياناً عيوب صغيرة جداً — مكان استُبدلت فيه ذرة كربون بذرة نيتروجين، وبجانبه فراغ. يسمي الفيزيائيون هذا مركز NV (عيب من النيتروجين و vacancy). يتصرف هذا العيب مثل إبرة مغناطيسية يمكنها تخزين المعلومات في دورانها.

تصدر الشوكة الرنانة صوتًا عندما تُضرب. فتهتز أسنانها ويُسمع الصوت حتى تخفت الاهتزازات. وفي العالم الكمي هناك أيضًا "شوكات رنانة" خاصة بنا — مثل خلل في الألماس يستجيب للمجال المغناطيسي، وأنبوب كربوني يمكن أن يرتجف بتردد أعلى بمليارات المرات من نغمة "لا". في العمل الجديد، جعل هذين الجسمين يشعران ببعضهما البعض.

ألماسة صغيرة تحتوي عيوبًا — ذرات نيتروجين حلت محل الكربون — تخفي في طياتها خاصية غير عادية. حول كل عيب يدور إلكترون إضافي، مثل قمة دوارة يمكن إمالتها بنبضات راديوية. هذه القمة الدوارة في حد ذاتها هادئة جدًا بحيث لا يمكنها أن تصل بصوتها إلى الكوبيت فائق التوصيل — الذرة الاصطناعية التي تعمل في درجات حرارة أبرد من الفضاء الخارجي.

في عمق الألماس توجد عيوب صغيرة جدًا — أماكن استُبدل فيها ذرة كربون بذرة نيتروجين، وبجانبها فراغ. هذه العيوب، مثل المنارات، يمكنها تخزين ونقل المعلومات الكمومية. لكن حولها تعصف عاصفة مغناطيسية: نوى الذرات في البلورة تهتز، مما يسبب تداخلًا. تغرق الإشارة في الضجيج. وجد مؤلفو الدراسة طريقة لاختراق هذه الفوضى.

الكيوبت فائق التوصيل — حلقة صغيرة بلا مقاومة — ينجز المهام أسرع من طرفة عين. ولكن بمجرد قطع التيار، يختفي كل ما حسبه. إنه مثل طاهٍ يطبخ دون تدوين الوصفة: ما دام واقفًا أمام الموقد يتذكر كل خطوة، وبعد ساعة لا يذكر شيئًا. يقترح مؤلفو العمل تسجيل النتيجة في الألماس.