أظهر باحثون في جامعة تشالمرز للتكنولوجيا Chalmers University of Technology ولأول مرة، إمكانية استعمال الصوت للتواصل مع ذرة اصطناعية. إذ أصبح باستطاعة الباحثين أن يبرهنوا ظواهر من علم فيزياء الكم باستخدام الصوت عوضاً عن الضوء. ونشرت النتائج في مجلة العلم The Journal Science تحت اسم الفونونات المنتشرة والممتزجة مع الذرة الاصطناعية.
إنّ التفاعل بين الذرات والضوء معروف جيّداً، إذ تمت دراسته على نطاق واسع في حقل علم البصريات الكمية Quantum optics. غير أنّ التحدي يكمن في الحصول على النوع نفسه من التفاعل ولكن باستخدام الموجات الصوتية. إذ استطاع باحثون من تشالمرز أن يجعلوا الموجات الصوتية تمتزج مع الذرة الاصطناعية. تمت الدراسة بالتعاون بين علماء في علم الفيزياء النظرية والفيزياء التطبيقية.
يقول رئيس مجموعة البحث التطبيقي بير ديسلينغ Per Desling: “لقد فتحنا باب جديد في عالم الكمّ من خلال التحدّث والاستماع إلى الذرات. ونهدف على المدى البعيد إلى تسخير علم فيزياء الكم للاستفادة من قوانينه، مثلاً، حواسيب فائقة السرعة. نقوم بهذا عبر صناعة حلقات كهربائية تخضع بدورها لقوانين علم فيزياء الكم، حيث نتمكن من التحكم بها ودراستها.”
الذرة الزائفة هي مثال عن حلقة كهربائية كمية كما الحلقة الطبيعية، يمكنها أن تشحن الطاقة وترسلها على شكل جسيمات (غالباً ضوئية). لكن الذرة في تجربة تشالمرز مصممة لتلتقط الطاقة على شكل موجات صوتية.
يقول الكاتب الأول للمقال مارتين غوستافسون Martin Gustafsson: “حسب النظرية، صوت الذرة ينقسم إلى جسيمات كميّة. هذه الجسيمات هي أضعف الأصوات التي نستطيع الكشف عنها.”
تكشف الذرة السمعية عن افاق عديدة في حقل التحكم بالظواهر الكميّة، وذلك بسبب انتقال الصوت بسرعة أبطء من الضوء.
يتابع غوستافسون قوله “لدينا المتّسع من الوقت للتحكّم بالجسيمات الكمية في طور تنقلّها، بسبب سرعة الصوت البطيئة. ويعد من الصعب انجاز هذا التحكم باستخدلم الضوء الذي يتنقل بسرعة أكبر بـ 100,000 مرة من الصوت.”
[fusion_builder_container hundred_percent=”yes” overflow=”visible”][fusion_builder_row][fusion_builder_column type=”1_1″ background_position=”left top” background_color=”” border_size=”” border_color=”” border_style=”solid” spacing=”yes” background_image=”” background_repeat=”no-repeat” padding=”” margin_top=”0px” margin_bottom=”0px” class=”” id=”” animation_type=”” animation_speed=”0.3″ animation_direction=”left” hide_on_mobile=”no” center_content=”no” min_height=”none”]
الكيان الرمادي الأزرق إلى أسفل اليسار هو دمج لميكروفون ومكبّر صوت يستعمل للتواصل مع الذرة سمعياً.
Credit: Martin Gustafsson and Maria Ekström
إنّ سرعة الصوت المنخفضة تدل أيضاً على أنّ طوله الموجي قصير مقارنة مع الطول الموجي للضوء. عند تفاعل الذرة مع موجة ضوئية هذا يعني أنّ الذرة هي دائماً أصغر حجماً من طول الموجة الضوئية. ولكن، مقارنة مع الطول الموجي للصوت، يمكن للذرة أن تكون أكبر حجماً، هذا يعني أنّ التحكم بخصائصها يصبح أسهل. على سبيل المثال من الممكن صنع ذرة بحيث تمتزج مع ترددات سمعية محددة أو جعلها تتفاعل مع صوت غاية في القوة.
التردد المستخدم في التجربة هو 4.8 غيغا هيرتز، وهو على مقربة من ترددات الميكروويف المعتمدة في الشبكات اللاسلكية العصرية. استناداً للمصطلحات الموسيقية، هذا يعادل تقريبا د28 اي حوالي 20 اوكتاف أعلى من النوتة الأكثر ارتفاعا على بيانو كبير.
في مثل هذا التردد المرتفع يصبح الطول الموجي للصوت أقصر، بشكل كافٍ ليتمّ توجيهه على سطح الرقاقة الصغيرة. وضع الباحثون على الرقاقة نفسها ذرة اصطناعية يبلغ طولها 0.01 ملم و مؤلفة من مواد فائقة التوصيل.
إضافات:
[/fusion_builder_column][fusion_builder_column type=”1_1″ background_position=”left top” background_color=”” border_size=”” border_color=”” border_style=”solid” spacing=”yes” background_image=”” background_repeat=”no-repeat” padding=”” margin_top=”0px” margin_bottom=”0px” class=”” id=”” animation_type=”” animation_speed=”0.3″ animation_direction=”left” hide_on_mobile=”no” center_content=”no” min_height=”none”]
هذا الجهاز يميّز الذرة بالخصائص الكمّية. الأصابع الشائكة على اليسار تؤمّن الامتزاج مع الموجات الصوتية.
Credit: Martin Gustafsson and Maria Ekström
يتمّ صنع العيّنة التي يستعملها الباحثون على ركيزة من زرنيخيد الغاليوم Gallium Arsenide – GaAs. وتحتوي على جزئين مهمّين. الجزء الأوّل يتمثّل بـ “الحلقة فائقة التوصيل Superconducting circuit”، والتي تمثّل الذرّة الإصطناعية. دوائر من هذا النوع يمكن أيضاً استخدامها كـ “بيتات كميّة Qubits”، والتي تعتبر من العناصر الأساسية للحاسوب الكمي Quantum computer.
المكوّن الأساسي الآخر معروف بإسم “المحوّل البيني الرقمي Interdigital Transducer – IDT”. يقوم الـ IDT بتحويل الموجات الصغيرة الكهربائية إلى موجات صوتية وبالعكس. الموجات الصوتية المستخدمة في التجربة تأخذ شكل الموجات الصوتية السطحية Surface acoustic waves – SAWs، والتي تظهر كتموّجات على سطح المجسّمات الصلبة. تُجرى التجارب والاختبارات على حرارات شديدة الإنخفاض تقارب الصفر المطلق (20 ميليكيلفين)، ويتم ذلك بحيث لا تؤثّر الطاقة المتمثّلة على نحو حراري على الذرّة.
المصدر:
Gustafsson, M., Aref, T., Kockum, A., et al. (September 11, 2014). Propagating phonons coupled to an artificial atom. Science Express. DOI: 10.1126/science.1257219
The sound of an atom has been captured. (n.d.). Chalmers University of Technology. Retrieved October 3, 2014, from http://www.chalmers.se/en/news/Pages/The-sound-of-an-atom-has-been-captured.aspx
[/fusion_builder_column][/fusion_builder_row][/fusion_builder_container]
