طور فريق من العلماء طريقة تسخر بنية الضوء لتحريف وتعديل خصائص المواد الكمومية. نتائجهم نشرت اليوم في الطبيعة، يمهد الطريق للتقدم في الجيل القادم من الإلكترونيات الكمومية والحوسبة الكمومية والمعلومات التكنلوجيا.
قام الفريق، بقيادة باحثين من مختبر المسرع الوطني SLAC التابع لوزارة الطاقة وجامعة ستانفورد، بتطبيق هذه الطريقة على مادة تعرف باسم نيتريد البورون السداسي (hBN)، وهي طبقة واحدة من الذرات مرتبة في نمط قرص العسل مع خصائص تجعلها فريدة من نوعها. مناسبة للتلاعب الكمي. في تجاربهم، استخدم العلماء نوعًا خاصًا من الضوء، مجاله الكهربائي يشبه زهرة ثلاثية الفصوص، لتغيير سلوك المادة والتحكم فيه على المستوى الكمي في نطاق زمني فائق السرعة.
كما تتيح الطريقة التي يتم بها التفاف موجة الضوء للباحثين التحكم بدقة في الخصائص الكمومية للمادة، وهي القواعد التي تحدد سلوك الإلكترونات، والتي تعتبر ضرورية للكهرباء وتدفق البيانات. هذه القدرة على التحكم في الخصائص الكمومية عند الطلب يمكن أن تمهد الطريق لإنشاء مفاتيح كمومية فائقة السرعة للتقنيات المستقبلية.
وقال شوبهديب بيسواس، العالم في SLAC وجامعة ستانفورد الذي قاد البحث: "إن عملنا يشبه إيجاد طريقة جديدة للهمس في عالم الكم وجعله يكشف لنا أسراره".
تتطلب التقنيات التقليدية في كثير من الأحيان أن يتمتع الضوء بالطاقة المناسبة للعمل مع مادة ما، وهو قيد يتجاوزه هذا النهج الجديد بذكاء. وباستخدام نوع خاص من الضوء وتصميم نمطه ليتناسب مع نمط المادة، يستطيع العلماء إقناع المادة بتكوينات جديدة دون التقيد بخصائصها الطبيعية.
"هذا الضوء المنظم لا ينير المادة فحسب؛ بل ينيرها أيضًا." وقال بيسواس: "إنها تلتف حولها، وتغير خصائصها الكمية حسب الطلب بطريقة يمكننا التحكم فيها".
يمكن لهذه المرونة أن تسمح للطريقة بالعمل مع مجموعة واسعة من التطبيقات، مما يسهل تطوير تقنيات جديدة. في جوهر الأمر، خلق الفريق الظروف التي تتحرك فيها الإلكترونات بطرق جديدة ويمكن التحكم فيها. يمكن أن يؤدي ذلك، على سبيل المثال، إلى تطوير مفاتيح فائقة السرعة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية، والتي يمكن أن تتفوق بشكل كبير على أجهزة الكمبيوتر التي نستخدمها اليوم.
وبعيدًا عن النتائج المباشرة، فإن هذا البحث يبشر بالخير لتطبيقات مستقبلية في مجال "إلكترونيات الوادي"، وهو مجال يستفيد من الخصائص الكمومية للإلكترونات الموجودة في وديان الطاقة المختلفة لمادة معالجة المعلومات. على عكس الأساليب التقليدية التي تتطلب ضوءًا متطابقًا مع وديان الطاقة هذه، فإن الطريقة الجديدة أكثر قابلية للتكيف، وتوفر اتجاهًا جديدًا لتطوير الأجهزة الكمومية.
إن قدرة الباحثين على التعامل مع الوديان الكمومية في hBN يمكن أن تؤدي إلى أجهزة جديدة، مثل المفاتيح الكمومية فائقة السرعة، التي لا تعمل فقط على الثنائيات 0 و1، ولكن على المشهد الأكثر تعقيدًا للمعلومات الكمومية. سيسمح ذلك بطرق أسرع وأكثر كفاءة لمعالجة المعلومات وتخزينها.
قال المتعاون ماتياس إف كلينج، مدير قسم البحث والتطوير في LCLS: "الأمر لا يتعلق فقط بتشغيل وإيقاف المفتاح". "يتعلق الأمر بإنشاء محول يمكن أن يوجد في حالات متعددة في وقت واحد، مما يزيد بشكل كبير من قوة وإمكانات أجهزتنا. إنه يفتح طريقة جديدة تمامًا لهندسة خصائص المواد على المستوى الكمي. والتطبيقات المحتملة واسعة، وتتراوح من الحوسبة الكمومية إلى الأشكال الجديدة لمعالجة المعلومات الكمومية.
يسلط البحث الضوء أيضًا على الطرق الأساسية التي يمكن للعلماء من خلالها التفاعل مع العالم الكمي والتحكم فيه. بالنسبة للعلماء المشاركين، هذه الرحلة إلى عالم الكم لا تتعلق فقط بتشويق الاكتشاف، بل تتعلق بدفع حدود ما هو ممكن.
وقال بيسواس: "أحد الجوانب الأكثر إثارة هو الإمكانات الهائلة للنتائج التي توصلنا إليها". "نحن على أعتاب حقبة جديدة في التكنولوجيا، وقد بدأنا للتو في استكشاف ما هو ممكن عندما نستغل قوة المواد الكمومية."
وضم الفريق أيضًا باحثين من معهد ماكس بلانك للبصريات الكمومية، جارشينج؛ لودفيغ-ماكسيميليان-جامعة ميونيخ في ألمانيا؛ ومعهد العلوم المادية بمدريد في إسبانيا.