روبيديوم

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.

جسر يسير عليه المشاة وراكبو الدراجات في تدفق واحد دون أن يعيق أحدهم الآخر. هذا هو تقريبًا مبدأ عمل الأنظمة الهجينة من الموصلات الفائقة وأشباه الموصلات: بعضها ينقل التيار دون فقدان، والبعض الآخر يتحكم في هذا التيار. ولكن لبناء مثل هذا الجسر، نحتاج إلى موصل فائق لا يخاف المجالات المغناطيسية القوية ولا يدمر القاعدة شبه الموصلة الهشة أثناء التصنيع.

البندول في هذه الساعات لا يتأرجح بنابض أو ثقل، بل بدفعة صغيرة داخل النواة الذرية. الساعات الذرية العادية تقيس الوقت بتذبذبات الإلكترونات، لكن هنا البندول هو النواة نفسها — كرة كثيفة من البروتونات والنيوترونات. للثوريوم-229 انتقال نووي خاص — تغير في حالة الطاقة للنواة — يمكن «تشغيله» بالضوء. إذا أزلنا معظم الإلكترونات، تصبح الساعة نقية بشكل مدهش: أجزاء أقل تعني تشويشًا أقل.

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.

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.

الإلكترونات في المادة الصلبة عادةً إما تتحرك بحرية (معدن) أو تكون محبوسة في مكانها (عازل). لكن أحيانًا، التنافر المتبادل القوي يحبسها في حالة نصفية: الشحنات ثابتة، بينما السبينات — الأسهم المغناطيسية الصغيرة — تواصل حياتها الخاصة. يُسمى هذا عازل موت. مؤلفو العمل الجديد بنوا سلسلة ذرية أحادية البعد من نوعين — A و B.

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.

العالم الكمومي مليء بالتحولات. أحيانًا يبدأ نظام مكوّن من جسيمات معينة بالتصرف وكأن جسيمات مختلفة تمامًا قد تسللت إليه. على سبيل المثال، في سلسلة من البوزونات — وهي جسيمات "اجتماعية" تحب التجمع في حالة واحدة — قد تظهر فجأة فرميونات، وهي عادةً ما تبقى منعزلة. إنها لا تستقر على ذرة محددة، بل تنتشر عبر النظام بأكمله، وكأنها ظل لرقصة جماعية. الإمساك بمثل هذا الظل ليس بالمهمة السهلة.

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.

أدق بندول في العالم ليس قضيبًا فولاذيًا، بل نواة ذرية صغيرة. لنظير الثوريوم-229 حالة مثارة خاصة: لتحويل النواة إليها، نحتاج طاقة قليلة جدًا — تقريبًا مثل طاقة ليزر فوق بنفسجي. هذا أشبه بهزّ ثريا ثقيلة ليس برافعة، بل بنقرة خفيفة من الإصبع.

بندول لا يكاد أي شيء أن يزيحه عن مساره، لا يخاف لا من الاهتزاز ولا من الحرارة ولا من المجالات المغناطيسية — لأنه مخبأ في صميم الذرة. هذا البندول بالتحديد هو ما استخدمه الفيزيائيون عندما شغّلوا لأول مرة ساعة نووية. في السابق، كانت أفضل الساعات — البصرية — تعمل على انتقالات الإلكترونات. لكن الإلكترونات تعيش على أطراف الذرة، مثل فراشات في مهب الريح: أي تأثير خارجي يزعجها.

أكثر الساعات الحديثة دقة تحسب الوقت من خلال تذبذبات الإلكترونات في الذرات. لكن حركتها يمكن أن تتأثر — كما يتأثر نابض الساعة الميكانيكية بالاهتزاز. وجد الفيزيائيون بندولاً أكثر موثوقية: نواة الذرة. أخذوا نواة الثوريوم-229، ووضعوها في بلورة، وجعلوها تتذبذب بتسليط ليزر بتردد محدد بدقة.

البت الكمومي (الكيوبت) بناء شديد الحساسية. حتى الحرارة الضعيفة تدمره، كما تقلب دفعة عشوائية كأساً من الكريستال. لحماية هذه المعلومات الهشة، ابتكر الفيزيائيون بنية كمومية ثلاثية الأبعاد تذكرنا بالدمى الروسية المتداخلة.

يتأرجح البندول بدقة مذهلة، فلو كان يعدّ الثواني منذ الانفجار العظيم، لما أخطأ حتى اليوم سوى نصف ثانية. هذا هو استقرار الليزر فوق البنفسجي المحمول الجديد — قلب ساعات الألومنيوم الذرية. يعمل هذا الليزر كمسطرة فائقة الدقة لقياس تردد الانتقال الذري.

المغناطيسات الصغيرة داخل الذرات — اللفائف النووية — يمكن أن "تتجمد" في بلورة باردة لدقائق طويلة. هذا يعيق الضبط السريع لأجهزة الاستشعار الكمومية: فكل شيء يصل إلى الحالة المطلوبة ببطء شديد. وجد الفيزيائيون طريقة لدفعها بالضوء.

الجسيمات الكمومية قادرة على عبور العوائق، وكأنها كرة تجد نفسها فجأة داخل تل وتخرج من الجانب الآخر. هذا تأثير النفق — وهو نتيجة مباشرة للطبيعة الموجية للمادة — فسّره جورج جاموف أثناء فكّه لآلية اضمحلال ألفا: كيف تغادر الجسيمات النواة الذرية متجاوزةً الحاجز الكامن.

أوركسترا يعزف فيها كل موسيقي دوره الخاص، بينما يحاول قائد الأوركسترا التقاط اللحن العام. هكذا تقريبًا ينظر الفيزيائيون إلى الإلكترونات في الكوبرات (cuprates) — مواد سيراميكية توصل التيار دون مقاومة عند درجات حرارة أعلى من درجة حرارة النيتروجين السائل. الأبطال الرئيسيون هم ذرات النحاس والأكسجين. تقفز الإلكترونات بينها، وتتفاعل، وتُحدث تأثيرًا مذهلًا.

أوركسترا يعزف فيها كل موسيقي دوره الخاص، بينما يقود قائد الأوركسترا الجميع في آن واحد. في الكمبيوتر الكمومي القائم على الذرات المتعادلة، يؤدي شعاع الليزر دور قائد الأوركسترا، حيث يجب أن يصيب هدفه بدقة دون أن ينحرف ولو لجزء من الثانية. الذرات لا تبقى ثابتة في مكانها، بل تهتز داخل المصيدة، مثل موسيقيين على مسرح زلق، وقد يخطئ الشعاع أحيانًا. ابتكر الفيزيائيون طريقة لجعل التحكم أكثر تسامحًا مع مثل هذه الأخطاء.

الحاسوب الكمومي القائم على الذرات المتعادلة يشبه مكتبة حيث لا تحتاج فقط إلى قراءة الكتب، بل أيضًا إعادتها بسرعة إلى الرفوف. القراءة البطيئة للنتيجة تشبه أمين مكتبة بطيء يؤخر الطابور بأكمله. وجد العلماء طريقة لتسريع هذه العملية بإضافة مساعدين. في الطريقة الجديدة، تُحيط بالذرة العاملة الواحدة (الكيوبت) عدة ذرات مساعدة.

داخل الموصلات الفائقة النحاسية — وهي مواد توصل التيار بدون فقدان عند درجات حرارة مرتفعة بشكل غير متوقع — توجد طور خفي. يتصرف هذا الطور كمعدن عادي، لكنه لا يظهر في القياسات القياسية. جمع العلماء بيانات من جميع أنحاء العالم عن جميع الموصلات الفائقة النحاسية المعروفة ووجدوا أنه تحت درجة حرارة معينة (خط الفجوة الزائفة) تنتقل المادة دائمًا إلى هذه الحالة المعدنية الخفية.

إن قدرًا عاديًا من الألومنيوم على الموقد لا يصدر جزيئات يمكن التقاطها بالضوء. ولكن إذا أخذت الألومنيوم وملح الألومنيوم وسخنتهما معًا في فرن صغير، فستحصل على تيار من جزيئات فلوريد الألومنيوم - مثل بخار الماء المتصاعد من فوهة إبريق الشاي، لكن بدلاً من قطرات الماء، تطير جزيئات صغيرة جدًا.

أرجوحة مثلثة لن تهدأ أبدًا: دائمًا ما تكون إحدى الذرات الثلاث في حالة تعليق. هذا هو المغناطيس المحبط — رقصة أبدية بلا سكون. لدراسته، بنى الفيزيائيون محاكيًا كموميًا من 256 ذرة، يحاكي بدقة بلورة TmMgGaO₄.

مقياس حرارة المطبخ العادي يُظهر درجة الحرارة التي يفقد عندها الزئبق مقاومته للكهرباء. بالنسبة للموصلات الفائقة التي تُصنع منها أجهزة الكمبيوتر الكمومية، درجة الحرارة الحرجة هي بمثابة جواز سفر الجودة: كلما ارتفعت، كان ذلك أفضل. التنتالوم في شكل ألفا هو المتفوق، بينما كان يُعتبر توأمه بيتا متخلفًا. ولكن، كما اتضح، المتخلف أيضًا يعرف كيف يحل المسائل.

الحاسوب الكمومي يشبه أوركسترا، حيث يعزف كل موسيقي دوره الخاص، لكن يجب أن يتناغم الجميع. حتى الآن، بُنيت معظم الدوائر الكمومية من ذرات متطابقة — كما لو كانت الأوركسترا تضم كمانات فقط. الآن، علّم الفيزيائيون عنصرين مختلفين العمل معًا: الروبيديوم والسيزيوم. بينهما أجروا عملية تشابك — وهي رابطة كمومية خاصة، حيث تؤثر حالة ذرة واحدة فورًا على الأخرى، أينما كانت.

في قارورة زجاجية محكمة الإغلاق بحجم إصبع، يغلي بخار معدني. المكون الرئيسي هو السيزيوم، لكن يختبئ فيه واحد بالمئة من الروبيديوم. شعاع ليزر بطول موجة 795 نانومتر يجد هذه الشوائب ويجعلها تتوهج. الروبيديوم بمفرده سيعطي إشارة ضعيفة: فالذرات تمر بسرعة عبر الشعاع. لكن السيزيوم يعمل كحشد كثيف تتدافع فيه ذرات الروبيديوم وتتباطأ.

جزيء الماء يشبه دمبلًا صغيرًا: ذرتا هيدروجين مرتبطتان بذرة أكسجين بزاوية. هذا الدمبل لا يبقى ثابتًا — بل يتمدد وينضغط ويدور. لكل حركة من هذه الحركات طاقة خاصة، مثل درجات سلم. لفهم كيف يمتص الماء الضوء أو يشارك في التفاعلات الكيميائية، يجب معرفة ارتفاع هذه الدرجات. الحاسوب التقليدي يحسب هذه الدرجات، لكنه سرعان ما يصطدم بجدار: عدد الحركات الممكنة يتزايد كالانهيار الجليدي.

ذرة الهيدروجين تشبه ساعة صغيرة تدق بدقة يحلم بها المهندسون. عندما يقفز الإلكترون بين المدارات، فإنه يمتص أو يصدر ضوءًا بتردد محدد بدقة، وهذه هي "النبضة". في العمل الجديد، التقط الفيزيائيون أحد هذه الانتقالات، بين الحالتين 2S و6P، وقاسوا تردده بهامش خطأ أقل من جزء من المليار من المئة. الرقم الناتج هو 730 690 248 610.79 كيلوهرتز، والخطأ 0.48 كيلوهرتز فقط.

الساعات الذرية العادية تنبض عندما يقفز إلكترون بين مستويات الطاقة. لكن المجالات الخارجية والاصطدامات قد تخل بهذا الإيقاع. الأيونات عالية الشحنة — ذرات نُزعت منها إلكترونات كثيرة — تكاد لا تلاحظ مثل هذه الاضطرابات: إلكتروناتها تقع في عمق الذرة وترتبط بقوة. لذلك فهي تصنع «بندولات» فائقة الاستقرار. أيون Cf17+ هو ذرة كوريوم نُزعت منها 17 إلكترونًا.

يشبه الكمبيوتر الكمومي أوركسترا حساسة: كل كيوبت هو عازف يسمع أدنى ضجيج ويخطئ. لعزف سيمفونية حسابية معقدة، تحتاج إلى مئات الآلات المتناغمة. لقد اتخذ المهندسون خطوة مهمة: فقد وضعوا أكثر من 500 كيوبت فائق التوصيل على شريحة واحدة بقطر ثلاث بوصات، وكأنك تضع أوركسترا سيمفونية كاملة على طبق عشاء.

الرسائل العادية تُعترض، ولا يلاحظ أحد. ابتكر الفيزيائيون وسيلة لإنشاء سر مشترك يتحطم فورًا بنظرة دخيلة. بدلاً من الورق، تُستخدم جسيمات الضوء المفردة. هذا الارتباط الكمومي يستغل القانون: أي قياس يغير الجسم الكمومي. يشبه ذلك عملتين مرتبطتين ارتباطًا لا ينفصم. ترمي الأولى — والثانية، حتى على بُعد 100 كم، تسقط دائمًا على نفس الوجه.

قطعة النقد المقلوبة هي أبسط مولّد للعشوائية. لكن إذا عُدّلت القطعة، فإنها تبدأ بالغش. في العالم الكمومي، يلعب الضوء دور القطعة: فخصائصه غير قابلة للتنبؤ من حيث المبدأ. المشكلة أن الجهاز الذي «يقلب» القطعة الكمومية قد يكون معطوبًا أو حتى مستبدلًا من قبل مخرب. بَنى مؤلفو الدراسة مولّدًا لا يتطلب ثقة كاملة في مكوناته. يكفي فقط تقييد طاقة الحالات الضوئية المنبعثة — كما لو كنا نراقب ألا تكون القطعة ثقيلة جدًا.

تعد الحواسيب الكمومية بوصف دقيق للجزيئات، لكن مشكلتها الرئيسية هي الضوضاء. فكل كيوبت إضافي وكل عملية إضافية تضيف أخطاءً. ابتكر الكيميائيون والفيزيائيون طريقة لحساب الجزيئات بنصف عدد الكيوبتات: طريقة HSQD. فهي تأخذ عينة كمومية — مثل عينة تربة من بئر — وترسلها إلى حاسوب تقليدي لمعالجتها بدقة.

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.

يشبه الحاسوب الكمومي أوركسترا يعزف فيها كل موسيقي دوره الخاص، لكن عند أي خلل يضطرب. الأخطاء في الكيوبتات تحدث باستمرار: تارة تختل آلة موسيقية، وتارة يفوّت موسيقي نغمة. عادةً، على قائد الأوركسترا أن يخمّن من أخطأ بالضبط، وهذا صعب جدًا. في العمل الجديد، صنع العلماء كيوبتًا يرفع يده بنفسه عندما يخطئ. يُسمى هذا الكيوبت "كيوبت الممحاة" (erasure qubit).

مقياس حرارة لا يكذب لسنوات. موازين الحرارة المقاومة العادية، حتى الدقيقة منها، تبدأ في ارتكاب الأخطاء بمرور الوقت: فالمواد تتقادم، وتتأكسد التلامسات، وتنزلق القراءات. أما مقياس الحرارة الكمومي الجديد فيعمل بشكل مختلف — فهو يستخدم ذرات الروبيديوم نفسها كمعيار. داخل خلية زجاجية صغيرة يوجد بخار الروبيديوم. يسلط العلماء عليه ليزرًا، فتهتز الذرات وتصدر ضوءًا بلونين مختلفين.

جهاز بحجم حبة رمل: مرآة صغيرة على شكل طبق تحمل ذرة روبيديوم منفردة وتجمع التوهج الذي تبعثه تحت شعاع الليزر. تُرسل جسيمات الضوء المُلتقطة إلى ألياف بصرية — التصميم بأكمله دقيق ولا يضطرب حتى مع الاهتزاز. الإنجاز الرئيسي هو التشابك الموثوق بين الذرة وكم الضوء.

عادةً ما تُحفظ الأجهزة الكمومية في المبرِّدات (cryostats) — وهي ترموسات كبيرة تكون درجة حرارتها أقل من تلك الموجودة في الفضاء الخارجي. أيون الإربيوم، المحبوس في مصيدة صغيرة على رقاقة سيليكون، يكسر هذا التقليد. فهو يعمل مباشرة على الطاولة، في درجة حرارة الغرفة، ويتذكر الحالة الكمومية لنصف ملي ثانية.

الحاسوب الكمومي يشبه أوركسترا يعزف فيها كل موسيقي دوره، لكنه أحياناً يخطئ في النغمة. الأخطاء تتراكم، ونحتاج إلى من يصحح الصوت بسرعة. في الذاكرة الكمومية، يلعب التبريد دور هذا المصحح: فهو يزيل الفوتونات الزائدة — جسيمات الضوء التي تبقى بعد العمليات الحسابية. في السابق، كانت هذه العملية بطيئة، مثل غسل الأطباق بالماء البارد. وجد الفيزيائيون طريقة لتسريعها مئات المرات.

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.

تدور 98 أيون باريوم في المعالج الجديد هيليوس على طول مسار مغلق، مثل الأحصنة في دوامة الخيل. تسمح هذه البنية المعمارية لأي أيون بتبادل البيانات مع أي أيون آخر، مما يجعل النظام مرنًا وقويًا. وتعطي نبضات الليزر الأوامر بسرعة الضوء، مثل عصا قائد الأوركسترا. المشكلة الرئيسية في الحوسبة الكمومية هي الأخطاء. كلما زاد تعقيد المهمة، زادت فرصة الفشل.