قد يكون من الضروري تعديل معادلة أرينيوس، التي وصفت بدقة معدلات التفاعلات الكيميائية لأكثر من قرن من الزمان، لتناسب عالم الكم
بئر طاقة كامنة مزدوجة مع وظائف موجية كمية على سلم من مستويات الطاقة المختلفة
Credit : N. E. Frattini et al
قانون كيميائي عمره 135 عامًا يخضع الآن لعملية تحول كمي. كشفت تجربة باستخدام بت كمي واحد، أو كيوبت، أن معادلة أرينيوس، التي تصف كيف ترتبط معدلات التفاعل بدرجة الحرارة، يجب تعديلها لتطبيقها في عالم الكم.
يقول رودريجو كورتيناس من جامعة ييل إنه لم يشك أبدًا في أن معادلة أرينيوس ستترجم مباشرة إلى تجربة كمية - حتى وجد هو وفريقه خلاف ذلك. يقول: "كان هذا حادثًا حقًا".
قام كورتيناس وزملاؤه ببناء كيوبت - اللبنة الأساسية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية - من دائرة صغيرة فائقة التوصيل، والتي يمكنهم التحكم فيها باستخدام الموجات الدقيقة. لقد جعلوا التيار في الدائرة يتذبذب داخل ما يسمى ببئر الطاقة الكامنة. إنه يشبه إلى حد ما طماطم الكرز التي تتدحرج ذهابًا وإيابًا في قاع وعاء سلطة عميق، إلا أنه في إعدادهم، كان هناك بئران محتملان. وبسبب ظاهرة الأنفاق الكمومية، حيث يمكن للأجسام الكمومية اختراق حواجز الطاقة التي لا يمكن عبورها عادةً، فإن الاضطرابات في النظام يمكن أن تجعل الكيوبت يتحرك بشكل غير متوقع من أحد البئرين إلى التالي.
يقول نيك فراتيني في نورد كوانتيك في كندا، الذي عمل على التجربة، إن الفريق أراد أن يتعلم كيفية إيقاف هذا، وكان من المفترض أن تكون معادلة أرينيوس مفيدة. وفقًا لهذا القانون، فإن زيادة الفرق بين الطاقة الأولية للكيوبت وحاجز الطاقة بين البئرين من شأنه أن يقلل بشكل كبير من عدد مرات أنفاق الكيوبت بينهما. وهذا يعني أن رسم هذا الفارق في الطاقة ومعدل النفق من شأنه أن ينتج منحنى سلسًا. وبدلاً من ذلك، أظهرت بيانات الباحثين خطًا متعرجًا يشبه السلم.
وفي النهاية، أدركوا أنهم يرون نتيجة للقيود الكمومية الأساسية على الطاقات التي يمكن أن يمتلكها البت الكمومي. ففي العالم العياني، تفترض معادلة أرينيوس أن أي مستوى طاقة مسموح به، لكن نظرية الكم تسمح فقط بمجموعة من القيم الخاصة - سلم من مستويات الطاقة المنفصلة. وبالنسبة للأشياء الكمومية مثل البت الكمومي، يجب أن يعكس قانون أرينيوس هذا الهيكل.
لذا، فإن كل خطوة في بيانات الباحثين تتوافق مع مستوى طاقة محدد للبِت الكمومي. ويقول كورتيناس إنه من الصعب من الناحية الفنية إجراء تجارب على البت الكمومي الذي يمكن أن يكون عند أي درجة من درجات سلم الطاقة، وعادة ما تستكشف التجارب أول درجتين فقط، وهو ما منع التأثير الكامل من الظهور في الأعمال السابقة.
لقد درس جوناثان فريدمان في كلية أمهرست في ماساتشوستس سلوكًا تدريجيًا مشابهًا لكيفية تغيير الجسيمات لحالاتها الكمومية في المغناطيس. ويقول إن استخدام النسخة التقليدية السلسة من معادلة أرهينيوس في الأنظمة المعرضة للتأثيرات الكمومية يمكن أن يؤدي إلى أخطاء كبيرة. بالنسبة للأشياء مثل المغناطيس والموصلات الفائقة والبتات الكمومية، قد تتوقع أنه يمكنك إنشاء تغيير كبير في حالاتها الكمومية من خلال إجراء تغيير صغير - على سبيل المثال في درجة الحرارة أو المجال المغناطيسي - ولكن إذا ضربت خطوة على سلم أرهينيوس، فلن يحدث أي تغيير فعليًا، كما يقول.
بالنسبة لكورتيناس وفراتيني، ساعدهم الاكتشاف العرضي أيضًا على تحسين البت الكمومي كما أرادوا. يمكنهم الآن جعل البت الكمومي يبقى في بئر واحد لمدة أطول بعشر مرات من ذي قبل، وهو نوع من الموثوقية الضرورية قبل أن يتم توصيله ببتات كمومية أخرى لصنع كمبيوتر كمومي عامل.
المصدر: