اتم های غول پیکر برای زمان ضبط در دمای اتاق “به دام افتاده”

اتم‌های غول‌پیکر به عنوان گزینه‌ای برجسته برای ساخت شبیه‌سازها و رایانه‌های کوانتومی با کارایی بالا، مورد توجه قرار گرفته‌اند؛ زیرا پژوهشگران آن‌ها را برای دوره‌ای بی‌سابقه در دمای اتاق مطالعه کردند.

با در اختیار داشتن یک اتم، می‌توانید ویژگی‌های کوانتومی آن را به کمک پالس‌های الکترومغناطیسی یا نور لیزر تنظیم کنید – یعنی انرژی الکترون‌های آن را تغییر دهید – و از این طریق اطلاعات را رمزگذاری نمایید. زمانی که چنین عملی را روی هزاران اتم انجام دهید، رایانه‌ها یا شبیه‌سازهای کوانتومی پیچیده به وجود می‌آید. اما اتم‌ها پس از مدتی ممکن است به صورت خودکار حالت خود را تغییر داده و خطاهایی ایجاد کنند. این مسئله باعث می‌شود که آن‌ها کمتر قابل کنترل و استفاده باشند و این طول عمر در دمای اتاق تا پیش از این نهایتاً ۱۴۰۰ ثانیه بود. گرچه دانشمندان توانسته‌اند اتم‌ها را برای مدت طولانی‌تری به دام بیندازند، اما این روش‌ها عموماً نیازمند نصب کل سیستم در یخچال‌های بزرگ و پیچیدگی‌های لجستیکی بوده‌اند.

ژنپو ژانگ و سیندی رگال از دانشگاه کلرادو در بولدر و تیمشان اخیراً این رکورد را در دمای اتاق شکسته‌اند. آن‌ها از اتم‌های ریدبرگ بهره بردند که قطرشان بزرگ است، زیرا برخی از الکترون‌هایشان فاصله زیادی از هسته دارند. این گروه اتم‌ها را در ظرفی که عاری از ذرات هوای مزاحم بود جای داد و هر اتم را با لیزر یا «گیره نوری» مهار کرد. این روش یک تکنیک استاندارد برای کنترل اتم‌های Rydberg است که نسبت به میدان‌های الکترومغناطیسی و نور حساسیت بالایی دارند.

محققان همچنین یک لایه مسی را در کنار ظرف قرار دادند و سپس پوشش را روی دمای منفی ۲۶۹ درجه سانتی‌گراد (-۴۵۲ درجه فارنهایت) سرد کردند. این کار از اتم‌ها در برابر گرما محافظت کرد که می‌تواند حالت آن‌ها را تغییر دهد. علاوه بر این، ژانگ اشاره می‌کند که ذرات هوا به سطح مس گیر کرده‌اند، مشابه روشی که قطرات آب گرم روی سطح سرد متراکم می‌شوند، که باعث بهبود خلأ داخل ظرف شد. در نتیجه، این تیم توانست اتم‌ها را به مدت ۵۰ دقیقه—حدود ۳۰۰۰ ثانیه، تقریباً دو برابر رکوردهای مشابه قبلی—مهار کند.

رگال بیان می‌کند که ژانگ حدود پنج سال پیش شروع به توسعه این پیکربندی کرده بود. به گفته وی: «این یک بازنگری اساسی در شیوه تفکر شما درباره نحوه انجام این آزمایش‌هاست.»

کلمَن سايرین از آزمایشگاه Kastler-Brossel در فرانسه معتقد است که این روش جدید می‌تواند امکان کنترل تعداد بیشتری اتم را فراهم آورد و به این ترتیب قدرت محاسباتی هر رایانه یا شبیه‌ساز مبتنی بر آن‌ها را افزایش دهد. وی می‌گوید: «۳۰۰۰ ثانیه زمان بسیار زیادی است و باید تلاش زیادی انجام دهید تا چنین طول عمر بلندی برای این اتم‌ها داشته باشید.» با این وجود، افزایش تعداد اتم‌ها به معنای نیاز به لیزرهای بیشتری برای کنترل آن‌ها است که می‌تواند طول عمر اتم‌ها را کم کند و به چالش‌های مهندسی بیشتری بیانجامد.