امواج نور برای تسریع سوپرجریان‌ها

مفهوم محاسبات کوانتومی (تصویر آرشیوی)
اعتبار: © metamorworks / Adobe Stock
 

جیانگ وانگ صبورانه در مورد کشف اخیر خود در کنترل کوانتومی توضیح می داد که می تواند به محاسبات فوق العاده سریع بر اساس مکانیک کوانتومی منجر شود: او ابررسانایی تحریک شده توسط نور بدون گاف انرژی را متذکر شد. او در مورد ضربان های کوانتومی ممنوعه ابرجریان صحبت کرد. و او شکست تقارن سرعت تراهرتز را متذکر شد.
 
سپس او از تمام این ها حمایت کرد و در موردشان توضیح داد. پس از همه این ها، دنیای کوانتومی ماده و انرژی در مقیاس های تراهرتز و نانومتر - تریلیون ها سیکل بر ثانیه و میلیاردم های متر - هنوز برای اغلب ما یک رمز و راز است.
 
وانگ، پروفسور فیزیک و نجوم در دانشگاه ایالتی آیووا، که تحقیق او توسط اداره تحقیقات ارتش حمایت شده است، می گوید: "من دوست دارم روی کنترل کوانتومی ابررسانایی متجاوز از گیگا هرتز، یا میلیاردها سیکل بر ثانیه، مطالعه کنم که تنگنایی است در کاربردهای جاری محاسبات کوانتومی پیشرفته." "ما در حال استفاده از نور تراهرتز به عنوان یک دسته‌ی کنترل برای شتاب بخشیدن به ابرجریان ها هستیم."
 
ابررسانایی، حرکت الکتریسیته به درون موادی خاص بدون مواجهه با مقاومت است. این معمولا در درجه حرارت بسیار، بسیار سرد اتفاق می افتد. به منفی 400 درجه فارنهایت برای ابررساناهای با درجه حرارت بالا فکر کنید.
 
نور تراهرتز نوری در فرکانس های بسیار بسیار زیاد است. به تریلیون ها سیکل بر ثانیه فکر کنید. این اساساً ترکیدن های میکروموجی بی نهایت زورمند و قوی از شلیک ها در چارچوب های زمانی بسیار کوتاه است.
 
وانگ و تیمی از محققان نشان دادند که از چنین نوری می توان برای کنترل برخی از خواص کوانتومی اساسی حالت های ابررسانایی، از جمله سیلان ابرجریان ماکروسکوپی، تقارن شکسته، و دسترسی به نوسانات معین کوانتومی فرکانس بسیار بالا که تصور می شود با تقارن ممنوع شده اند، استفاده کرد.
 
این همه به نظر می رسد سری و عجیب و غریب باشند. اما می توانند برنامه های کاربردی بسیار عملی داشته باشند.
 
وانگ و چندین نویسندۀ همکار، در یک مقاله پژوهشی که به صورت آنلاین توسط مجله فوتونیک طبیعت منتشر شد، نوشتند: "ابر جریان های تحریک شده با نور، مسیری را رو به جلو طرح می کنند برای طراحی الکترومغناطیسی خواص مواد بیرون آینده و نوسانات منسجم جمعی برای کاربردهای مهندسی کوانتومی."
 
وانگ در خلاصه یافته های تیم تحقیقاتی نوشت، به عبارت دیگر، این کشف می تواند به فیزیکدانان کمک کند "با اشاره برای روشن کردن ابرجریان ها، کامپیوترهای کوانتومی دیوانه‌وار سریعی را خلق کنند."
 
پیدا کردن راه هایی برای کنترل، دسترسی و اداره‌ی مشخصات ویژه دنیای کوانتومی و اتصال آنها به مسائل دنیای واقعی امروزه فشار رو به جلوی علمی بزرگی است. بنیاد ملی علوم، "جهش کوانتومی" را در "10 ایده بزرگ" خود برای تحقیق و توسعه آینده جا داده است.
 
خلاصه ای از حمایت از مطالعات کوانتومی بنیاد علوم می گوید: "با بهره برداری از تعاملات این سیستم های کوانتومی، فناوری های نسل بعدی برای حسگری، محاسبه، مدل سازی و برقراری ارتباط دقیق تر و کارآمد تر خواهد بود." "برای دستیابی به این قابلیت ها، محققان نیاز به فهمیدن مکانیک کوانتومی دارند تا رفتار ذرات و انرژی را در ابعادی حداقل یک میلیون برابر کوچکتر از عرض موی انسان مشاهده، دستکاری و کنترل کنند."
 

محققان، ذرات نانومقیاسی را نشان می دهند که منابع نور معمولی می توانند آنها را به چرخش وادارند. آنها نخستین سیستمی را شبیه سازی کرده اند که در آن ذرات می توانند با یک پرتو نور معمولی دستکاری شوند. پیشرفت، ما را به تعاملات واقعی بین نور و ماده در مقیاس های اتمی نزدیکتر می کند.
     
داستان های علمی تخیلی پر از دستگاه های خیالی است که اجازه می دهد نور با قدرت با ماده تعامل کند، از شمشیرهای نوری گرفته تا راکت های رانده شده با فوتون. در سال های اخیر، علوم شروع به سرعت گرفتن برای تحقق این موارد کرده است؛ برخی از نتایج اشاره دارند به تعاملات جالب در دنیای واقعی بین نور و ماده در مقیاس های اتمی، و محققان دستگاه هایی مانند پرتوهای تراکتور نوری، انبرک های نوری و پرتوهای گردابی را تولید کرده اند.
 
در حال حاضر یک تیم در MIT و جایی دیگر، تلاش کرده اند مرز دیگری را در جستجو برای چنین اختراعات مرموزی جلو ببرند، با خلاقیت در شبیه سازی های نخستین سیستمی که در آن ذرات - از تقریبا مولکول ها گرفته تا ذرات به اندازه‌ی باکتری ها - می توانند توسط یک پرتو از نور معمولی به جای منابع گرانقیمت تخصصی نور مورد نیاز توسط سیستم های دیگر، دستکاری شوند. این یافته ها در مجله پیشرفت های علم گزارش شده است.
 
بیشتر تحقیقاتی که تلاش می کند ماده را با نور دستکاری کند، چه با هل دادن اتم های منفرد یا ذرات کوچک، جذب کردن آنها، و یا چرخاندن آنها، شامل استفاده از پرتوهای لیزر پیشرفته یا سایر تجهیزات تخصصی می شود که به شدت انواع استفاده از چنین سیستم هایی را که بتواند به کار گرفته شود محدود می کند. این کشف می تواند به فیزیکدانان کمک کند "با اشاره برای روشن کردن ابرجریان ها، کامپیوترهای کوانتومی دیوانه‌وار سریعی را خلق کنند." ایلیک می گوید: "رویکرد ما این است که ببینیم آیا می توانیم همه این اثرات مکانیکی جالب را به دست آوریم، اما با یک نور بسیار ساده."
 
این تیم تصمیم گرفت تا به جای پرتوهای نور، در جهت مهندسی خودِ ذرات، به کار بپردازد تا آنها را وادارد به نور معمولی به روش های خاصی پاسخ دهند. محققان به عنوان آزمایش اولیه خود، ذرات نامتقارن شبیه سازی شده ای را تولید کردند به نام ذرات دورو، که فقط یک میکرومتر قطر داشتند که یک صدم ضخامت موی انسان است. این کره های کوچک از یک هسته سیلیکا تشکیل شده بود که با یک لایه نازک طلا پوشیده شده بود.
 
محققان دریافتند که در معرض پرتو نور، پیکربندی دو طرفه این ذرات باعث ایجاد تعاملی می شود که محورهای تقارن آنها را نسبت به جهت پرتو تغییر می دهد. در عین حال، این تعامل باعث ایجاد نیروهایی می شود که ذرات را به چرخش یکنواخت وامی دارد. ذرات چندگانه را می توان در یک بار توسط همان پرتو تحت تاثیر قرار داد. و سرعت چرخش را می توان با تغییر رنگ نور تغییر داد.
 
منبع: دانشگاه ایالتی آیووا و مؤسسه تکنولوژی ماساچوست