اختراق الحوسبة الكمومية.. استقرار الكيوبيتات عند درجة حرارة الغرفة

لقد حقق الباحثون تماسكًا كميًا في درجة حرارة الغرفة عن طريق دمج كروموفور ممتص للضوء داخل إطار معدني عضوي.

يمثل هذا الاختراق، الذي يسهل الحفاظ على حالة النظام الكمي دون تدخل خارجي، تقدمًا كبيرًا في تقنيات الحوسبة الكمومية (Quantum) والاستشعار.

في دراسة نُشرت في "Science Advances"، يُفيد مجموعة من الباحثين بقيادة الأستاذ المشارك نوبوهيرو ياناي من كلية الهندسة في جامعة كيوشو، بالتعاون مع الأستاذ المشارك كيوشي مياتا من جامعة كيوشو والبروفيسور ياسوهيرو كوبوري من جامعة كوبي، أنهم تمكنوا من تحقيق ترابط الكم عند درجة حرارة الغرفة: قدرة النظام الكمي على الحفاظ على حالة معرَّفة بشكل جيد على مر الزمن دون تأثير من التشويشات المحيطة.

سمحت هذه الخطوة الجديدة بتضمين كروموفور، وهو جزيء صبغي يمتص الضوء وينبعث باللون، في إطار معدني عضوي، أو MOF، وهو مادة بلورية نانوية مسامية مكونة من أيونات معدنية ومركبات عضوية.

تطوير تقنيات الكم

تشكل نتائجهم تقدماً حاسماً لتقنيات الحوسبة والاستشعار الكمي. في حين يُعتبر الحوسبة الكمية النقلة الرئيسية التالية في تقنيات الحوسبة، فإن الاستشعار الكمي هو تقنية استشعار تستخدم الخصائص الميكانيكية الكمية للكيوبيتات (المكافئ الكمي للبتات في الحوسبة الكلاسيكية التي يمكن أن تكون موجودة في مركب من 0 و 1).

يمكن استخدام أنظمة مختلفة لتنفيذ الكيوبيتات، مع نهج واحد يعتمد على استخدام الدوران الجوهري - خاصية كمية تتعلق بلحظة المغناطيسية لجسيم - لإلكترون. يمتلك الإلكترونان حالتي دوران: لأعلى ولأسفل. يمكن أن تكون الكيوبيتات المعتمدة على الدوران في مزيج من هذه الحالات ويمكن "تشابك"ها، مما يسمح بالاستدلال على حالة كيوبيت من كيوبيت آخر.

التحديات في الاستشعار الكمي
من خلال استغلال الحالة المتشابكة للكم للتشويش البيئي، من المتوقع أن تمكن تقنية الاستشعار الكمي من الاستشعار بدقة وحساسية أعلى مقارنة بالتقنيات التقليدية. ومع ذلك، حتى الآن، كان من الصعب تشابك أربعة إلكترونات وجعلها تستجيب للجزيئات الخارجية، أي تحقيق الاستشعار الكمي باستخدام MOF نانوي.

ملحوظ أن الكروموفورات يمكن استخدامها لتحفيز الإلكترونات بألياف دورانية مرغوبة عند درجة حرارة الغرفة من خلال عملية تسمى التشابك الثنائي. ومع ذلك، فإن درجة حرارة الغرفة تسبب فقدان المعلومات الكمية المخزنة في الكيوبيتات. ونتيجة لذلك، فإنه عادة ما يكون من الممكن تحقيق ترابط الكم عند مستوى النتروجين السائل.

نهج مبتكر للترابط الكمي
لكبح الحركة الجزيئية وتحقيق ترابط الكم عند درجة حرارة الغرفة، قدم الباحثون كروموفور استنادي يعتمد على البنتاسين (هيدروكربون عطري دائري مكون من خمس حلقات بنزينية متصلة خطياً

) في UiO-MOF. "إن هيكل MOF في هذا العمل هو نظام فريد يمكنه تراكم الكروموفورات بكثافة. بالإضافة إلى ذلك، فإن المسامات النانوية داخل البلورة تمكن الكروموفور من الدوران، ولكن بزاوية مقيدة جداً"، يقول ياناي.

ساعد هيكل MOF في تسهيل الحركة الكافية في وحدات البنتاسين للسماح للإلكترونات بالانتقال من الحالة الثلاثية إلى حالة الكوينتت، مع قمع الحركة بشكل كافٍ عند درجة حرارة الغرفة للحفاظ على ترابط الكم للحالة المتعددة الكوينتت. عند تحفيز الإلكترونات بالنبضات الميكرويفية، كان الباحثون يمكنهم ملاحظة ترابط الكم للحالة لأكثر من 100 نانوثانية عند درجة حرارة الغرفة. "هذا هو أول ترابط كمي عند درجة حرارة الغرفة للكوينتت المتشابكة"، يقول كوبوري متحمساً.

الآثار المستقبلية للحوسبة الكمية
على الرغم من أن الترابط تم ملاحظته فقط لفترات قصيرة من الزمن، سوف تمهد النتائج الطريق لتصميم مواد لتوليد العديد من الكيوبيتات عند درجات حرارة الغرفة. "سيكون من الممكن توليد كيوبيتات متعددة الكوينتت بكفاءة أكبر في المستقبل من خلال البحث عن جزيئات الضيف التي يمكن أن تحفز المزيد من هذه الحركات المقيدة ومن خلال تطوير هياكل MOF المناسبة"، يتكهن ياناي. "يمكن أن يفتح ذلك الأبواب أمام الحوسبة الكمية الجزيئية عند درجة حرارة الغرفة بناءً على التحكم في البوابات الكمية المتعددة والاستشعار الكمي لمركبات الهدف المختلفة".