نبضة ميكروويف

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.

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.

حالتا ذرة السترونشيوم — الأساسية والمثارة — تتصرفان كتوأمين يركضان على نفس المضمار، لكن أحدهما أعلى قليلًا من الآخر. عادةً، الضوء المستخدم للتحكم في الذرات يدفع أحد "التوأمين" بقوة أكبر والآخر بقوة أقل. هنا تم اختيار طول موجي قدره 813 نانومتر — وهو "سحري" — حيث تتلقى الحالتان دفعة متساوية.

إذا دفعت الماء في قناة ضيقة بسرعة كبيرة، تنشأ موجة شديدة الانحدار تتحطم رغوةً. أما في عالم الذرات فائقة البرودة، المبرَّدة إلى ما يقارب الصفر المطلق، فالقوانين الكمومية تمنع تلك الموجة من الانهيار.

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.

الكيوبت الكيوبت فائق الموصلية — العنصر الأساسي في المعالج الكمومي — يُشبه آلة موسيقية حساسة: ما لم تضبطها، لن تحصل على نغمة نقية. ولكن حتى بعد الضبط، يتغير الصوت. المسؤول عن تدهور الحالة الكمومية هي عيوب مجهرية في المادة، يعرفها الفيزيائيون باسم الأنظمة ذات المستويين (two-level systems). تتصرف هذه العيوب مثل شقوق غير مرئية تظهر وتختفي تلقائيًا، معطلة الإيقاع المتماسك للمعالج.

الرنان الفارغ ليس فارغًا تمامًا. حتى في الفراغ المطلق، حيث لا يوجد فوتون واحد فوتون - وهو كم الضوء - توجد تقلبات كمومية: ولادة واختفاء مستمران لجسيمات افتراضية. هذا يشبه تموجات على سطح الماء في هدوء تام: يبدو السطح أملسًا، لكن الجزيئات تستمر في الاهتزاز. تعلم الفيزيائيون تحويل هذا الاهتزاز إلى موجات حقيقية - فوتونات حقيقية.

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.

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.

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.

منارة بعيدة تومض للحظة مضيئة أكثر من مجرة بأكملها. هذه ومضة راديوية سريعة (fast radio burst) — إشارة غامضة قادمة من أعماق الكون. بعضها يتكرر، وقد لاحظ الفلكيون غرابة: في هذه الومضات يتغير الاستقطاب بسرعة — وهي خاصية تُظهر كيف تكون الموجة الراديوية ملتوية في الفضاء. وكأن ضوء المنارة يبدأ فجأة بتغيير لونه أو سطوعه بين الومضات.

الموازين الدقيقة الكوارتزية هي صفيحة رقيقة تهتز بتردد خمسة ملايين مرة في الثانية. إذا سقطت عليها قطرة سائل، يتغير الاهتزاز: من هذه التغيرات يمكن معرفة كتلة القطرة ومرونتها. لكن في القطرات الصغيرة يظهر تأثير غير متوقع: الصوت الذي ترسله الصفيحة إلى السائل ينعكس عن الحد العلوي للقطرة ويعود إليها. فيتكون صدى يهز الصفيحة ويشوش القراءات.

المظروف البريدي العادي له شكل مستطيل، والرسالة بداخله لا تغيّر خصائص المظروف. أما مع الفوتونات — جسيمات الضوء — فالأمر مختلف: فـ«شكلها» الزمني يمكن أن يكون مختلفًا، وهذا الشكل بحد ذاته يحمل معلومات.

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.

يتصرف الضوء في كاشف الجسيمات مثل الصوت في الجبال. صرخة واحدة — ويتكرر الصدى عدة مرات، يضعف مع كل انعكاس. هكذا في كاشف السيليكون: الومضة الحقيقية الناتجة عن جسيم تولد ومضات كاذبة تخلط القياسات. المضاعِفات الضوئية السيليكونية هي مصفوفات من خلايا صغيرة جدًا، كل منها قادرة على رصد فوتون واحد فقط. ولكن بعد أن تعمل الخلية، تبقى بداخلها حاملات شحنة محتجزة.

سطح النيوبيوم المصقول حديثًا يلمع كالمرآة. لكن بعد دقائق قليلة تظهر عليه طبقة أكسيد باهتة لا تُرى بالعين المجردة. بالنسبة للكيوبت فائق التوصيل، هذه الطبقة مثل الرمل في الساعة: إنها تجعل الحالة الكمومية تنهار قبل أوانها. كلما طالت مدة "تنفس" الكيوبت للهواء، زادت سرعة نسيانه لمعلوماته الكمومية.

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.

تعد الحواسيب الكمومية بحل مشاكل لا تستطيع الحواسيب العادية حلها. لكن مكوناتها — البتات الكمومية — حساسة للغاية. أحد أنواع هذه البتات هو دارة تذبذبية يمكن أن تتواجد في حالتين، مثل بندول يتأرجح يسارًا أو يمينًا. وهاتان الحالتان تخزنان المعلومات. ومع ذلك، عندما تعمل عدة بتات بجانب بعضها البعض، فإنها تبدأ في التأثير على بعضها البعض.

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.

البت الكمومي العادي ينهار من أقل تأثير — حرارة، مجال مغناطيسي. استخدم الفيزيائيون ذرتين تعملان بحيث لا تمحو الفوضى التسجيل. لم تُشفّر المعلومات في كل ذرة على حدة، بل في الفرق بين حالتيهما — مثل شد حبل بين عوامتين. أي تشويش يهز العوامتين معاً، لذا تظل المسافة بينهما ثابتة. باستخدام تتبع ليزري دقيق تابع العلماء هذا الفرق.

الذرات المغناطيسية في الأجسام الصلبة تشبه إبر البوصلة: عادةً عند التبريد، تستقيم في اتجاه واحد — وهكذا ينشأ المغناطيسية. لكن في مادة TbInO3، تجلس إبر التربيوم على شبكة مثلثية حيث يستحيل إرضاء جميع الجيران في آنٍ واحد. إبرة تريد أن تتجه نحو الشمال، وأخرى نحو الجنوب، وفي النهاية لا تستطيع أيٌّ منها أن تستقر في وضع ثابت.

ألماسة صغيرة تطفو في الهواء، مثبتة بمجال كهربائي، مثل ذرة غبار في شعاع ضوء. داخلها عيوب خفية — أماكن استُبدل فيها ذرة كربون بذرة نيتروجين، وبجانبها فراغ. تتصرف هذه العيوب كمغناطيسات يمكن قلبها بالليزر وأشعة الميكروويف. عندما تنقلب المغناطيسات، تدفع الألماسة قليلاً. الدفعة صغيرة جداً — كما لو أن نملة نفخت على كرة قدم. لكن الألماسة خفيفة جداً ومعلقة بشكل جيد لدرجة أن هذا يكفي لتدور.

إذا ضغطت على لوح يحتوي على خلايا على شكل أكورديون، فستنتشر عبره موجة انثناء — مثل ثنية في سجادة عندما تُدفع بالقدم. هذه الموجات قادرة على تبديل المادة بين شكلين مستقرين، ويُبنى عليها ما يسمى بالذاكرة الميكانيكية. ولكن إذا اعترض طريق الثنية ساق طاولة، فإنها تعلق. في العمل الجديد، أظهروا كيفية تحريكها من مكانها دون استخدام القوة الغاشمة.

الحاسوب الكمومي يشبه أوركسترا، حيث يجب على كل عازف-كيوبت أن يعزف نغمته دون نشاز. لكن من وقت لآخر، يقتحم القاعة مارٌّ عابر — جسيم إشعاعي من الفضاء — ويُفقد العازفين الإيقاع. تُسمى هذه الأعطال اندفاعات الأخطاء، وهي تعيق العمليات الحسابية. أخذ العلماء معالجين متطابقين تقريبًا بأنواع مختلفة من التماسات في الكيوبتات (وصلات جوزيفسون).

تعد الحواسيب الكمومية واعدة بحل مسائل يتعذر على الآلات التقليدية حلها، لكن قلبها - الكيوبتات - يتطلب درجات حرارة منخفضة للغاية قريبة من الصفر المطلق. عادةً ما يتم التحكم في الكيوبتات وقراءة حالتها من غرفة دافئة، عبر مدّ العديد من الكابلات عبر المبرد.

الفوتون يشبه مركبة في موقف متعدد الطوابق، حيث يمثل كل طابق تردده (لونه). عادةً ما يعلق في طابق واحد، لكن العلماء أضافوا مصعدًا — مُعدِّلًا قابلًا للبرمجة ينقل الفوتون بين الطوابق حسب الأوامر. يخلق هذا المصعد روابط بين الترددات، محولًا إياها إلى ما يشبه شبكة اصطناعية، تُذكّر بطريقة دراسة الضوء بتحليل تردداته — المطيافية.

في مرض باركنسون، تُزرع أسلاك رفيعة في الدماغ لتهدئة الرعاش. العملية خطيرة، وتبقى الأسلاك لسنوات. تقترح مجموعة من الباحثين الاستغناء عن الشقوق الجراحية: توجيه موجات دقيقة إلى الرأس من عدة هوائيات، كما يضبط الموسيقيون شدة الصوت في زوايا القاعة المختلفة ليتلاقى الصوت في نقطة واحدة. يصدر كل هوائي موجات بتردد وطور خاصين.

في الدوائر فائقة التوصيل التي تُبنى منها الحواسيب الكمومية، تولد من وقت لآخر جسيمات زائدة — جسيمات شبه كمومية (quasiparticles). تشبه هذه الجسيمات المارة العشوائيين الذين يقتحمون عمل المعالج ويفسدون الحسابات. تعلم العلماء التقاط هذه الأحداث في الزمن الحقيقي على كيوبتين متجاورين — عنصرين فائقَي التوصيل حساسين للشحنة.

الحاسوب الكمومي يشبه أوركسترا يعزف فيها الإلكترونات والنوى على آلات مختلفة. عادةً، يحتاج قائد الأوركسترا إلى عصاتين: موجات دقيقة للإلكترونات وموجات راديوية للنوى. وجد علماء في اليابان طريقة للاكتفاء بعصا واحدة فقط، إذ جعلوا نبضات الموجات الدقيقة تتحكم في كل من النواة والإلكترون في آن واحد.

الحاسوب الكمومي يشبه أوركسترا يجب أن يضبط آلاته قبل كل مقطوعة. الضبط يستغرق وقتًا ويتطلب هدوءًا — في حالتنا، برودة شديدة. بالنسبة لرقائق السيليكون التي تحتوي على ذرات البورون، يتم هذا الضبط عادةً باستخدام الموجات الميكروية، ببطء وفقط عند درجات حرارة أقل من 2 كلفن (271 درجة مئوية تحت الصفر).

حتى في شعاع الليزر المتماسك تمامًا توجد لاحتمالية أساسية — ضوضاء كمومية، تنشأ من تموجات الفراغ في المجال الكهرومغناطيسي. تعلم الفيزيائيون «ضغط» هذه الضوضاء، مثل بالون يُعصر في وسطه: تموجات السعة أو الطور تُخمد في اتجاه تربيعي واحد، وتزداد حتمًا في الاتجاه المتعامد.

الموجات فوق الصوتية في السائل تشبه رجّ زجاجة مشروب غازي بقوة: ترجّها فتظهر الفقاعات. لكن في العلم يُسمى هذا تجويفًا (cavitation)، والفقاعات هنا لا تطفو فحسب، بل تولد وتنمو وتنفجر بقوة هائلة. على الحاسوب العملاق فوجاكو في اليابان، حاكى العلماء محيطًا كاملًا من مئة مليار ذرة — وكأن كل قطرة ماء في بركة صغيرة أصبحت ذرة منفردة. وجّهوا إلى هذا «المحيط» موجات فوق صوتية وراقبوا ما يحدث قرب مصدر الصوت.

الضوء العادي هو تيار من الفوتونات تتطاير بشكل عشوائي: بعضها أكثر وبعضها أقل، وفي هذه الفوضى تضيع دقة القياسات. تعلّم الفيزيائيون «تمشيط» هذا التيار، منتجين ضوءًا مضغوطًا — حيث يصبح ضجيج خاصية معينة أقل من ضجيج الفراغ. الأمر يشبه شدّ وتر: ما زال يهتز، لكنه لم يعد يتأرجح بحرية.

ومضات غاما القصيرة ومضات غاما — انفجارات لحظية لكنها هائلة الطاقة — تنشأ عن اندماج نجوم نيوترونية، وهي بقايا فائقة الكثافة لنجوم ضخمة، حيث يُضغط المادة إلى كثافة نووية.

الليزر العادي يُصدر الفوتونات واحدًا تلو الآخر، مثل صنبور يقطر ماءً. ولكن ماذا لو احتجنا عدة جسيمات ضوئية تولد في اللحظة نفسها؟ الفيزيائيون جعلوا سحابة من ذرات الروبيديوم الباردة تُصدر أربعيات من الفوتونات — كما لو أن الصنبور فجأة يُخرج أربع قطرات دفعة واحدة، وكل قطرة تسقط في أنبوب اختبار خاص بها. تُبرَّد السحابة إلى ما يقارب الصفر المطلق، بحيث تكاد الذرات لا تتحرك.

لطالما حيّرت التشويشات الراديوية القصيرة والقوية القادمة من أعماق الفضاء العلماءَ. يُعتقد أن مصدرها هو أنوية نجوم ميتة فائقة الكثافة، حيث المجالات المغناطيسية قوية بشكل لا يُتصوّر. وها قد التُقِط في الإشارة FRB 20190122C تركيبٌ غير متوقع: ثماني نبضات، تفصل بينها ميلي ثانية واحدة، تتضاءل سطوعًا تمامًا كرنين جرس بعد طرقه.

الدوامات المغناطيسية في الموصلات الفائقة، مثل الدوامات في الماء، عادة ما تبدد الطاقة وتختفي بسرعة بسبب الاحتكاك الداخلي — الانحلال (التبدد). وهذا يعيق استخدامها في الرقاقات الكمومية. ولكن في غشاء مصنوع من حبيبات الألمنيوم الدقيقة، تعلق الدوامة وتصبح أشبه بدوامة في بئر ضيق — حيث تدور إما في اتجاه أو في الاتجاه المعاكس.