نوشته گیل مککورمیک، دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، ۳ دسامبر ۲۰۲۵، مفهوم هنری کامپیوترهای کوانتومی نانوخوشههای طلا -“ابر اتمهای” طلا میتوانند محاسبات کوانتومی مقیاسپذیر و قابل تنظیم را ممکن سازند. (مفهوم هنری.)
محققان دریافتند که “ابر اتمهای” طلا میتوانند مانند اتمها در سیستمهای کوانتومی سطح بالا رفتار کنند – فقط مقیاسبندی آنها بسیار آسانتر است.این خوشههای کوچک را میتوان در سطح مولکولی سفارشی کرد و پایهای قدرتمند و قابل تنظیم برای نسل بعدی دستگاههای کوانتومی ارائه داد.
رایانههای کوانتومی، حسگرها و سایر فناوریهای پیشرفته به شدت به رفتار الکترونها، به ویژه نحوه چرخش آنها، وابسته هستند. یکی از دقیقترین رویکردها برای سیستمهای کوانتومی با کارایی بالا، از ویژگیهای چرخش الکترونها در اتمهای نگهداشته شده در یک گاز استفاده میکند. این چیدمانهای گازی دقت فوقالعادهای ارائه میدهند، اما مقیاسبندی آنها در دستگاههای کوانتومی بزرگتر، از جمله رایانههای کوانتومی کامل، بسیار دشوار است. یک تیم تحقیقاتی از دانشگاه ایالتی پن و دانشگاه ایالتی کلرادو اکنون نشان دادهاند که یک خوشه طلا میتواند رفتار این اتمهای فاز گازی به دام افتاده را تقلید کند و امکان دسترسی به خواص اسپینی مشابه را در قالبی که بسیار آسانتر قابل گسترش است، فراهم کند.
کن ناپنبرگر، رئیس دپارتمان و استاد شیمی در کالج علوم ابرلی دانشگاه ایالتی پن و رهبر تیم تحقیقاتی، گفت: «برای اولین بار، ما نشان میدهیم که نانوخوشههای طلا همان خواص کلیدی اسپینی را دارند که روشهای پیشرفته فعلی برای سیستمهای اطلاعات کوانتومی دارند.» «هیجانانگیز است که ما همچنین میتوانیم یک ویژگی مهم به نام قطبش اسپینی را در این خوشهها دستکاری کنیم که معمولاً در یک ماده ثابت است. این خوشهها را میتوان به راحتی در مقادیر نسبتاً زیاد سنتز کرد و این کار را به یک اثبات امیدوارکننده از این مفهوم تبدیل میکند که خوشههای طلا میتوانند برای پشتیبانی از انواع کاربردهای کوانتومی استفاده شوند.»
این کار که در دو مقاله منتشر شده در ACS Central Science و The Journal of Physical Chemistry Letters شرح داده شده است، رفتار اسپینی خوشههای طلا را به تفصیل تأیید میکند. چگونه اسپین الکترون عملکرد کوانتومی را شکل میدهد.
نیت اسمیت، دانشجوی کارشناسی ارشد شیمی در کالج علوم ابرلی دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا و نویسنده اول یکی از مقالات، گفت: «اسپین یک الکترون نه تنها بر واکنشهای شیمیایی مهم، بلکه بر کاربردهای کوانتومی مانند محاسبات و حسگرها نیز تأثیر میگذارد. جهت چرخش یک الکترون و همترازی آن نسبت به سایر الکترونهای موجود در سیستم میتواند مستقیماً بر دقت و طول عمر سیستمهای اطلاعات کوانتومی تأثیر بگذارد.»
یک الکترون به دور محور خود میچرخد، به گونهای که میتوان آن را با چرخش زمین به دور محورش که نسبت به خورشید کج است، مقایسه کرد. با این حال، الکترونها میتوانند در جهت عقربههای ساعت یا خلاف جهت عقربههای ساعت بچرخند. وقتی بسیاری از الکترونها در یک ماده در یک جهت بچرخند و کجیهای آنها با هم مطابقت داشته باشد، با هم همبسته میشوند. مادهای با سطح قوی از این همترازی، قطبش اسپینی بالایی دارد.
اسمیت گفت: «موادی با الکترونهایی که همبستگی بالایی دارند، با درجه بالایی از قطبش اسپینی، میتوانند این همبستگی را برای مدت زمان بسیار طولانیتری حفظ کنند و بنابراین برای مدت زمان بسیار طولانیتری محدودیتهای یونهای به دام افتاده و نیاز به راهحلهای جدید دقیق باقی بمانند.»
روش پیشرو برای دستیابی به نرخ خطای بسیار پایین در سیستمهای اطلاعات کوانتومی شامل یونهای اتمی به دام افتاده است که اتمهایی با بار الکتریکی هستند که در یک محیط گازی نگهداری میشوند. در این تنظیمات، الکترونها میتوانند به حالتهای ریدبرگ برانگیخته شوند که قطبشهای اسپینی طولانی مدت و دقیقاً تعریف شدهای را ارائه میدهند. این سیستمها همچنین به الکترونها اجازه میدهند در حالت برهمنهی وجود داشته باشند، به این معنی که میتوانند چندین حالت را همزمان تا زمان اندازهگیری اشغال کنند. برهمنهی برای محاسبات کوانتومی اساسی است.
ناپنبرگر گفت: “این یونهای گازی به دام افتاده ذاتاً رقیق هستند، که افزایش مقیاس آنها را بسیار دشوار میکند.” «فاز متراکم مورد نیاز برای یک ماده جامد، طبق تعریف، اتمها را در کنار هم قرار میدهد و آن ماهیت رقیق را از دست میدهد. بنابراین، افزایش مقیاس، تمام اجزای الکترونیکی مناسب را فراهم میکند، اما این سیستمها به تداخل از محیط بسیار حساس میشوند. محیط اساساً تمام اطلاعاتی را که شما در سیستم رمزگذاری کردهاید، به هم میریزد، بنابراین میزان خطا بسیار بالا میرود. در این مطالعه، ما دریافتیم که خوشههای طلا میتوانند تمام بهترین خواص یونهای گازی به دام افتاده را با مزیت مقیاسپذیری تقلید کنند.»
نانوساختارهای طلا مدتهاست که برای کاربردهایی در اپتیک، حسگری، درمان و کاتالیز مورد مطالعه قرار گرفتهاند، اما رفتارهای مغناطیسی و اسپینی آنها توجه بسیار کمتری را به خود جلب کرده است. در تحقیقات جدید، این تیم بر روی خوشههای محافظتشده تکلایه تمرکز کرد. این خوشهها از یک هسته طلا تشکیل شدهاند که توسط مولکولهایی به نام لیگاند احاطه شده است. ساختار این خوشهها را میتوان دقیقاً تنظیم کرد و میتوان آنها را در مقادیر نسبتاً زیادی تولید کرد. این خوشهها به دلیل ویژگی الکترونیکیشان به عنوان ابراتم شناخته میشوند.
اسمیت گفت: «مانند یک اتم است و اکنون میدانیم که خواص اسپینی آنها نیز مشابه است. ما ۱۹ حالت قطبیشده اسپینی ریدبرگمانند قابل تشخیص و منحصر به فرد را شناسایی کردیم که از برهمموقعیتهایی که میتوانستیم در یونهای رقیق فاز گازی به دام افتاده انجام دهیم، تقلید میکنند. این بدان معناست که خوشهها خواص کلیدی مورد نیاز برای انجام عملیات مبتنی بر اسپین تنظیم قطبش اسپینی از طریق طراحی شیمیایی را دارند.»
دانشمندان قطبش اسپینی را در خوشههای طلا با استفاده از رویکردی مشابه تکنیکهای مورد استفاده برای اتمهای منفرد اندازهگیری کردند. یک نوع خوشه، قطبش اسپینی ۷ درصد را نشان داد، در حالی که خوشه دیگری با لیگاند متفاوت به نزدیک به ۴۰ درصد رسید. ناپنبرگر خاطرنشان کرد که این مقدار بالاتر با برخی از مواد کوانتومی دوبعدی پیشرو قابل مقایسه است.
ناپنبرگر گفت: “این به ما میگوید که خواص اسپینی الکترون ارتباط نزدیکی با ارتعاشات لیگاندها دارد. به طور سنتی، مواد کوانتومی دارای مقدار ثابتی از قطبش اسپینی هستند که نمیتوان آن را به طور قابل توجهی تغییر داد، اما نتایج ما نشان میدهد که میتوانیم لیگاند این خوشههای طلا را برای تنظیم گسترده این ویژگی تغییر دهیم.”
این تیم اکنون قصد دارد بررسی کند که چگونه تغییر ویژگیهای خاص درون لیگاندها بر قطبش اسپینی تأثیر میگذارد و چگونه میتوان از این تغییرات برای تنظیم دقیق رفتار کوانتومی استفاده کرد.
ناپنبرگر گفت: «حوزه کوانتومی عموماً تحت سلطه محققان فیزیک و علوم مواد است و در اینجا ما فرصتی را برای شیمیدانان میبینیم تا از مهارتهای سنتز خود برای طراحی موادی با نتایج قابل تنظیم استفاده کنند. این یک مرز جدید در علم اطلاعات کوانتومی است.»
این تحقیق با بودجه دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی و بنیاد ملی علوم ایالات متحده انجام شده است.
