تضغط المغنونات في النطاق الكمّي

الاستماع إلى أهدأ المغناطيسات

يعمل العلماء باستمرار على دفع حدود ما يمكن قياسه، من تموجات خافتة في الزمكان إلى همسات المادة المظلمة. لتحقيق ذلك، يحتاجون طرقًا لكبح الارتعاشات الكمّية العشوائية التي عادةً ما تطمس أي إشارة صغيرة. تُظهر هذه الورقة كيف يتم تهدئة تلك الاضطرابات في نوع جديد من الأنظمة المكوَّنة من تريليونات من العزوم المغناطيسية الصغيرة التي تتصرف معًا. من خلال تشكيل تذبذباتها إلى شكل «مضغوط» خاص، يفتح الباحثون طريقًا لأجهزة كشف فائقة الحساسية واختبارات جديدة لموضع انتهاء الفيزياء الكمومية وبداية التجربة اليومية.

عديد من العزوم تعمل كواحد

في بلورات معينة، يمكن لعزوم مغناطيسية لعدد لا يحصى من الذرات أن تتحرك معًا بتناسق، لتتصرف كجسم يهتز واحد. تسمى هذه التموجات الجماعية للمغناطيسية مغنونات. عمل الفريق مع كرة من مادة تعرف بغارنت الحديد والإتريوم، قطرها مجرد مليمتر واحد لكنها تحتوي تقريبًا على عشرة مليار مليار دوران. في هذه الكرة، أبسط اهتزاز — حيث تدور كل العزوم في انسجام — يتصرف كمذبذب كمّي نظيف وطويل العمر. لهذا السبب تُعد مثل هذه الكرات مرشحًا جذابًا لبناء أجهزة كمومية تجسر الفجوة بين الدوائر المجهرية والأجسام الماكروسكوبية شبه الملموسة.

تعليم مغناطيس أن يشعر بالضغط الكمّي

الضغط الكمّي يعني تقليل عدم اليقين في خاصية واحدة لنظام مع السماح بزيادة عدم اليقين في خاصية متممة، تمامًا كما تحويل دائرة للمواضع والزخم الممكنة إلى قطع ناقص نحيف. بالنسبة للضوء، حسّن هذا بالفعل مرصدات موجات الجاذبية. لكن تنفيذ نفس الحيلة على المغنونات في صلب كبير كان صعبًا، لأن التفاعلات الطبيعية التي يمكنها إعادة تشكيل ضجيجهم الكمّي ضعيفة جدًا. يحل المؤلفون هذه المشكلة بوضع الكرة المغناطيسية ودائرة فائقة التوصيل صغيرة تُدعى كيبت ترانسمون داخل تجويف ميكروويف مشترك مُبَرَّد إلى نحو عشر آلاف من الدرجة فوق الصفر المطلق. يتيح التجويف تأثيرًا قويًا متبادلًا بين الكيبت ووضع المغنون دون تبادل طاقة حقيقي مستمر، مما يخلق تفاعلًا فعالًا غير خطّي يمكنه نحت الحالة الكمّية للمغنون.

تشكيل ومشاهدة الضجيج الكمّي

عن طريق ضبط تردد الكيبت بعناية باستخدام تيار ميكروويف مُتحكم به، يصنع الباحثون تفاعلًا ذاتيًّا في وضع المغنون يُعرف بعدم التجانس كير (Kerr nonlinearity). في الوقت نفسه، يقودون المغنونات برفق بحيث لا تبقى في حالة الأرضية الطبيعية. تحت هذا العمل المشترك، تتزحزح الحالة الكمّية للمغنونات تدريجيًا في «فضاء الطور» المجرد، متحولة من كتلة دائرية إلى شكل مشوَّه مضغوط. لرؤية هذا التحول غير المرئي، يطور الفريق عملية رمان مساعدة بالمغنون: تفاعل من خطوتين يبادل المعلومات بين المغنونات والكيبت بطريقة يمكن التحكم بها. باستخدام الكيبت ككاشف، يعيدون بناء صورة كاملة لحالة المغنون، المعروفة بدالة ويجنر، عند أزمنة تطورية مختلفة.

إثبات أنها فعلاً كمّية

تكشف الصور المعاد بناؤها عن العلامات المميزة للضغط: أحد تراكيب حركة المغنون يُظهر تقلبات مُنخفضة مقارنةً بـ«الفراغ» الكمّي، بينما التراكب العمودي أكثر ضوضاءً. كميًا، يصل تخفيض الضجيج إلى نحو 1 ديسيبل تحت مستوى الفراغ. والأهم، طوال التجربة ظل متوسط عدد المغنونات أقل من واحد، ما يعني أن التأثير ليس اهتزازًا كلاسيكيًا كبيرًا بل إعادة تشكيل حقيقية لاضطرابات كمومية ضئيلة. يتتبع الفريق أيضًا كيف تتحلل هذه الحالة الهشة. عندما يُطفأ التفاعل المصمَّم، تسترجع البنية المضغوطة شكلًا دائريًا غير مضغوط خلال زمن يقارب 145 مليار جزء من الثانية. عندما يبقى التفاعل مُشغَّلًا، فإنه يعاكس هذا التحلل جزئيًا، محافظةً على الضغط المرئي لأكثر من ضعف ذلك الزمن.

أداة جديدة للاستشعار فائق الدقة

تُظهر هذه العمل أن حتى جسمًا صلبًا يحتوي عددًا هائلًا من العزوم يمكن توجيهه إلى حالة كمّية مضغوطة بدقة والحفاظ عليها لفترة كافية لتكون مفيدة. من خلال تعزيز قوة الاقتران وتحسين المادة المغناطيسية أكثر، يجب أن يصبح الحصول على ضغط أقوى وأعمار أطول في المتناول. يمكن أن تترجم مثل هذه التحسينات مباشرة إلى حساسات كمومية أدق لموجات الجاذبية وأكسونات المادة المظلمة وظواهر أخرى عصيّة على الاكتشاف، بينما تقدم أيضًا ساحة جديدة لاستكشاف كيف تبقى السلوكيات الكمومية — أو تتلاشى — على مقاييس ماكروسكوبية.

الاستشهاد: Weng, YC., Xu, D., Chen, Z. et al. Magnon squeezing in the quantum regime. Nat Commun 17, 2679 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69312-4

الكلمات المفتاحية: الضغط الكمّي, مغنونية, غارنت الحديد والإتريوم, أنظمة كمومية هجينة, قياس كمّي