كشف علماء فيزياء من جامعة بازل السويسرية لأول مرة عن شكل الإلكترون داخل ذرة اصطناعية. سمحت طريقة مطورة حديثًا للعلماء بإظهار احتمال وجود إلكترون ضمن حيز مكاني معين. ذلك يسمح بتحسين التحكم في الغزل الإلكتروني ، الذي بالإمكان استخدامه كوحدة المعلومات الصغرى في الحواسيب الكمومية المستقبلية. الغزل الإلكتروني هو مرشح قوي لاستخدامه كوحدة معلومات صغرى أو كما يطلق عليها الكيوبتات – البت الكمومي (Qubit) في الحواسيب الكمومية.
التحكم في هذه الظاهرة أو تبديلها أو إقرانها بكيوبتات أخرى هو تحدٍ تعمل عليه عدة مجموعات من الباحثين حول العالم. استقرار كيوبت واحد وتشابك العديد من الكيوبتات يعتمد على هندسة الإلكترون، بالإضافة إلى عوامل أخرى ــ وكان تحديد هذا الأمر تجريبيًا في ما مضى مستحيلًا.
قام علماء تلك الفرق المجتمعة بقيادة البروفيسور دومينيك زومبول (Dominik Zumbühl) وزميله دانيال لوس (Daniel Loss) من قسم الفيزياء بالمعهد السويسري لعلم النانو في جامعة بازل، بتطوير طريقة تسمح لهم بتحديد هندسة الإلكترون مكانيًا في نقاط كمومية.
النقطة الكمومية هي مصيدة محتملة تسمح بحصر إلكترون حر في مساحة أكبر من الذرة الطبيعية بحوالي 1000 مرة. وبما أن الإلكترونات العالقة تتصرف مثل تلك المرتبطة بالذرات، يطلق على النقاط الكمومية اسم “الذرات الاصطناعية”.
يحتجز الإلكترون في النقطة الكمومية عبر الحقول الكهربائية. رغم ذلك، فهو يتحرك في المكان مع احتمالات مختلفة تتطابق مع معادلة موجية، ويبقى في نطاق معين من الفضاء ضمن مكان احتجازه.
يستخدم العلماء القياسات الطيفية لتحديد مستويات الطاقة في النقطة الكمومية ويدرسون سلوك هذه المستويات في مجالات مغناطيسية مختلفة القوة والاتجاه. حسب نموذجهم النظري، من الممكن تحديد كثافة احتمال الإلكترون ومن ذلك معادلته الموجية بدقة على مقياس دون نانو-متري.
يقول لوس في هذا الشأن: «ببساطة، يمكننا استخدام هذه الطريقة لإظهار شكل الإلكترون لأول مرة».
يعمل الباحثون بشكل مقرب مع زملائهم في كل من اليابان وسلوفاكيا والولايات المتحدة الأمريكية، وبذلك يتحصلون على فهم أفضل للعلاقة التبادلية بين شكل الإلكترونات ولفه المغزلي، الذي بإمكانه البقاء مستقرًا لأطول فترة ممكنة ليتحول سريعًا من أجل استخدامه كـ بت كمومي.
يقول زومبول: «ليس بإمكاننا معرفة شكل واتجاه الإلكترون فحسب، بل بإمكاننا كذلك التحكم في المعادلة الموجية بالعودة إلى الترتيبات المطبقة على المجالات الكهربائية. ذلك يمنحنا فرصة لتحسين التحكم في الكيوبت بطريقة مستهدفة بشكل كبير».
التوجه المكاني للإلكترونات يلعب دورًا كذلك في تشابك العديد من الكيوبتات (الغزل). وذلك يشبه ترابط ذرتين لتشكيل جسيم، المعادلات الموجية لإلكترونين تعتمد على مستوى واحد لنجاح التشابك.
ستكون العديد من الدراسات السابقة مفهومة بشكل أكبر باستخدام هذه الطريقة الجديدة، كما ستسمح بتحسين أداء الكيوبتات في المستقبل.
اقرأ أيضًا:
ما هي هندسة الإلكترونيات الحيوية أو البيونيك ؟
ما هي الإلكترونات؟ تعريف الإلكترون
ترجمة: وليد سايس
تدقيق: جعفر الجزيري
