التناوب دون ثانية والتماسك البصري المحدّد بعمر الحالة في 171Yb3+:CaWO4

لماذا تهم الحالات الكمّية طويلة العمر

تعد الحواسيب الكمّية وشبكات الاتصالات فائقة الأمان بتحويل طرق معالجة ومشاركة المعلومات، لكنها تعتمد على حالات كمّية هشة تختفي عادة في أجزاء من الثانية. تستكشف هذه الدراسة مادة بلّورية صلبة جديدة يمكنها احتضان حالات كمّية تدوم لفترات غير اعتيادية ويمكن التحكم فيها باستخدام الضوء. من خلال إبقاء هذه الحالات مستقرة لفترة أطول بكثير من المعتاد، يمثّل العمل خطوة مهمة نحو ذواكر كمّية عملية وواجهات وأجهزة استشعار.

مسكن جديد للبتّات الكمّية الهشة

ركز الباحثون على بلّور يُدعى تنغستات الكالسيوم (CaWO4) يحتوي على عدد قليل من أيونات الإيبريوم من نوع محدد يُعرف باسم ¹⁷¹Yb³⁺. يتصرف كل من هذه الأيونات كمغناطيس كمّي صغير يساهم فيه كل من الإلكترون والنواة في طابعه المغناطيسي. ونظراً لأن البلّور يحتوي على عدد قليل جداً من الذرات المغناطيسية الأخرى، فإن البيئة المحيطة بكل أيون يِبيريوم هادئة بشكل غير عادي. هذا المستوى المنخفض من الضوضاء الخلفية أمر أساسي: فهو يسمح للحالات الكمّية للأيونات بالبقاء لفترة طويلة بدل أن تُشوّه سريعاً بسبب الاضطرابات المغناطيسية العشوائية في المادة الصلبة.

استكشاف البنية الخفية بالضوء والمغناطيسات

لفهم هذه الحالات الكمّية والتحكّم بها، كان على الفريق أولاً أن يرسم بالتفصيل كيفية ترتيب مستويات طاقة الأيونات. برّدوا البلّور إلى بضعة درجات فوق الصفر المطلق وسلطوا عليه ضوء ليزري شديد الاستقرار بينما طبقوا حقولاً مغناطيسية مُتحكَّمًا بها بعناية. بقياس كيفية امتصاص البلّور للضوء عند ألوان واستقطابات مختلفة قليلاً، تمكنوا من تحديد كيفية تفاعل سبينات الإلكترون والنواة داخل حالات الأيون الأرضية ذات الطاقة الأدنى والحالات المثارة ذات الطاقة الأعلى. كانت قمم الامتصاص المرصودة حادة للغاية، ما يعني أن الأيونات ترى محيطاً شبه متطابق داخل البلّور، وهو شرط أساسي للتحكّم البصري الدقيق في تجمعات كبيرة من الأيونات.

إنشاء ذواكر سبينية طويلة العمر

مسلحين بمخطط المستويات هذا، استخدم الباحثون أزواجاً من حزم الليزر للتلاعب بحالات السبين للأيونات بطريقة بصرية بحتة، دون الاعتماد على الموجات الدقيقة. صمموا تسلسلاً من نبضات الضوء يدفع أولاً تقريباً كل الأيونات إلى حالة سبين واحدة مختارة بعناية ثم يقلبها إلى زوج خاص من الحالات المعروفة بانتقال "الساعة". في هذا التكوين، تستجيب الحالتان تقريباً بنفس الطريقة للحقول المغناطيسية الخارجية، لذا يكون لتقلبات البيئة تأثير ضئيل على الفجوة الطاقية بينهما. أظهرت قياسات صدى السبين — حيث يكشف تسلسل من النبضات عن مدة بقاء السبينات متزامنة — أن الحالة السبينية الجماعية يمكن أن تظل متماسكة لحوالي 0.15 ثانية عند الحقل المغناطيسي الصفري، وهو قيمة قياسية لهذا النوع من الأنظمة تحت هذه الشروط.

ضوء يتذكّر حتى حده الطبيعي تقريباً

درس الفريق أيضاً مدة بقاء الانتقالات البصرية محددة التعريف. باستخدام تقنية تُدعى صدى الفوتون، أرسلوا نبضتين ضوئيتين ولاحظوا انبعاث البلّور لإشارة صدى خافتة تكشف مدى سرعة فقدان معلومات الطور البصري. وجدوا أنه عندما تُجهز حالة السبين بعناية بحيث تُقمَع عمليات تبادل السبين المزعجة، يصل زمن التماسك البصري إلى نحو 0.75 ملّي ثانية — تقريباً ما يتوقع من عمر الحالة المثارة الطبيعي. بعبارة أخرى، لم يعد الحد الرئيسي هو ضوضاء البيئة بل القاعدة الأساسية التي تقول إن أي أيون مثار سينبعث منه فوتون في نهاية المطاف ويُرخّص. هذا واحد من أفضل أداءات التماسك البصري التي أُبلغ عنها على الإطلاق لمصدر صلب بارامغناطيسي.

نحو أجهزة كمّية عملية

تُظهر هذه النتائج أن ¹⁷¹Yb³⁺ في CaWO4 يجمع عدة خصائص مرغوبة: خطوط بصرية حادة ممكّنة للتحكّم الانتقائي، حالات سبين يمكن تهيئتها والتلاعب بها ضوئياً فقط، وأعمار استثنائية لكل من تماسك السبين والبصري حتى من دون تطبيق حقل مغناطيسي قوي. يجادل المؤلفون أنه بتقليل تركيز أيونات الإيبريوم أو هندسة المادة بشكل أكبر، قد تُمدَّ هذه الأعمار أكثر. وبسبب هذا المزيج الفريد من الصفات، تُعد المادة مرشحاً قوياً لتقنيات كمّية مستقبلية، بما في ذلك ذواكر كمّية قائمة على الضوء، وأجهزة تحويل الإشارات بين الموجات الدقيقة والضوء، وواجهات أحادية الأيون تصل البتّات الكمّية الثابتة بالفوتونات المتحركة في شبكات بصرية.

الاستشهاد: Tiranov, A., Green, E., Hermans, S. et al. Sub-second spin and lifetime-limited optical coherences in ¹⁷¹Yb³⁺:CaWO₄. Nat Commun 17, 4115 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70534-9

الكلمات المفتاحية: ذاكرة كمية, سبينات الحالة الصلبة, أيونات الأرض النادرة, تماسك بصري, شبكات كمية