التلاعب والتوصيف التوافقي الكمّي لحالات الدوامة في الموصلات الفائقة

طريقة جديدة لتخزين المعلومات الكمّية

تَعِد الحواسيب الكمومية بحل مشكلات أبعد من قدرات الحواسيب الحالية، لكن اللبنات الأساسية لها — البتّات الكمومية — حسّاسة وصعبة التصميم. تكشف هذه الدراسة عن نوع جديد وغير متوقع من البتّات الكمومية المختبئ داخل المواد فائقة التوصيل نفسها: دوامات صغيرة للمجال المغناطيسي تُسمى دوامات (vortices)، يمكنها تخزين المعلومات الكمومية لفترات طويلة بشكل مدهش. تحويل ما كان يُعتبر مصدر إزعاج إلى مورد مفيد قد يفتح مسارات جديدة نحو تقنيات كمومية أبسط وأكثر متانة.

عندما تسمح الموصلات الفائقة للمغناطيسية بالتسلل

تشتهر الموصلات الفائقة بطردها للحقول المغناطيسية من داخلها، وهي ظاهرة تقوم عليها تقنيات من أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي إلى الكاشفات الحساسة. ومع ذلك، عندما يصبح الحقل المغناطيسي المطبق قوياً بما يكفي، يمكنه اختراق الموصل الفائق في حزم خيطية منفصلة تُعرف باسم الدوامات. في المواد العادية، يتصرف مركز كل دوامة كالمعدن العادي، مما يسبب احتكاكاً وفقداناً للطاقة عندما تتحرك الدوامة. لذلك ظلت الدوامات تُعتبر مسببات مشاكل تُضعف أداء الأجهزة فائقة التوصيل والبتّات الكمومية. التحول الرئيسي الذي تستكشفه هذه الدراسة هو أنه في موصل فائق حبيبي ومعطل بشدة — مكوّن من حبيبات ألومنيوم صغيرة مفصولة بحواجز عازلة رقيقة — يمكن أن يظل داخل الدوامة «مفتوح الفجوة» بمعنى أنه لا يتشتت الطاقة بسهولة. في هذه الظروف، قد تتوقف الدوامات عن التصرف كأجسام كلاسيكية وتبدأ بإظهار سلوك كمّي كامل.

تحويل الدوامات إلى نظم كمومية ثنائية الحالات

قام الباحثون بصنع رنان ميكروويفي نحيف من ألومنيوم حبيبي، وبرّدوه إلى بضع ألاف من الدرجة فوق الصفر المطلق، وطبقوا حقلًا مغناطيسيًا صغيرًا أثناء التبريد. تؤدي هذه العملية إلى حجز الدوامات في الجهاز عند مواقع محددة. ثم، عن طريق مسح الحقل المغناطيسي وفحص استجابة الرنان للموجات الميكروويفية، لاحظ الفريق إشارات واضحة تُظهر ارتباطًا قويًا بين الرنان ونظام ثنائي المستويات قابل للضبط — أي جسم كمّي له حالة أرضية وحالة مثارة فقط — مرتبط بوجود الدوامات. استطاعوا دفع الانتقالات بين هاتين الحالتين بنبضات ميكروويف قصيرة، تماماً كما يُتحكم في بتّ كمومي فائق التوصيل تقليدي، واستطاعوا قراءة الحالة بطريقة لا تدمرها تُعرف بقياس عدم الهدم الكمّي.

دوامات كمومية طويلة العمر

كشفت قياسات مُوقّتة أن حالات الدوامة القائمة على هذه الدوامات تحتفظ بطاقةها لمئات الميكروثواني، وهو ما ينافس فترات العمر لبعض البتّات المصممة بعناية المستخدمة في تجارب رائدة اليوم. أما تماسك الطور — الخاصية التي تسمح بوجود التراكبات الكمومية — فقد استمر لعدة ميكروثوانٍ، ويمكن تمديده باستخدام تقنيات الصدى التي تلغي الانجراف البيئي البطيء. أشارت دراسات إحصائية على العديد من دورات التبريد إلى أن هذه «بتّات الدوامة» مستقرة لساعات إلى أسابيع، لكن التكوين المجهري لها قد يتغير من تبريد لآخر، ما يعكس ترتيبات مختلفة للدوامات في المشهد الحبيبي.

مشهد من الأفخاخ والأنفاق الكمّية

لتفسير كيف يمكن للدوامة أن تعمل كنظام ثنائي الحالات الكمّي، نمذج المؤلفون كيف تختبر الدوامة منظر الطاقة داخل الشريط الفائق التوصيل الضيق. لأن الفيلم حبيبي ومعطّل، هناك العديد من مواقع «التموضع» الصغيرة التي تحجز الدوامات محليًا. أثناء تعديل الحقل المغناطيسي، يتغير عمق هذه الأفخاخ النسبية، مما يخلق فعليًا بئرًا مزدوجة للطاقة: موضعان منخفضا الطاقة متقاربان يفصل بينهما حاجز. قرب نقطة «الحلاوة» الحقلية الخاصة، يصبح البئران متقاربان في الطاقة، ويمكن للدوامة أن تنفذ نفقًا كمّيًا بينهما بدلًا من القفز كلاسيكيًا. في تلك الحالة، لا تعود الدوامة محصورة في جانب واحد أو الآخر؛ بل تصبح حالتها تراكبًا لوجودها في كلا الأفخاخ معًا، مكونة نظام المستويين الذي يرتبط بالرنان.

من الشوائب المزعجة إلى أدوات كمومية مفيدة

من خلال إظهار أن الدوامات المحجوزة في موصل فائق حبيبي يمكن أن تتصرف كبتّات كمومية قابلة للتحكم وطويلة العمر، يحول هذا العمل عيبًا طال أمده في الأجهزة فائقة التوصيل إلى فرصة. إذا تم تأكيد الصورة الأساسية — التي تفيد بأن الدوامات تنفق عبر مواقع تموضع قريبة في شبكة معطلة تشبه الوصلات — بواسطة تجارب تصوير ومطيافية مستقبلية، فقد تُحقق بتّات قائمة على الدوامات في مجموعة واسعة من المواد. وبما أنها تنشأ مباشرة من بنية الموصل الفائق، يمكن أن تعمل هذه الحالات كأدوات مدمجة لاستقصاء العيوب الميكروسكوبية وكذلك كعناصر لمنصة جديدة قائمة على الدوامات لمعالجة المعلومات الكمومية والاستشعار فائق الحساسية.

الاستشهاد: Nambisan, A., Günzler, S., Rieger, D. et al. Quantum coherent manipulation and readout of superconducting vortex states. Nature 653, 63–67 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10441-7

الكلمات المفتاحية: بتّات كمومية فائقة التوصيل, ألومنيوم حبيبي, دوامات مغناطيسية, التماسك الكمّي, مواد كمومية