لقد طور فيزيائيو جامعة كاليفورنيا، سانتا باربرا، أنظمة دوران متشابكة في الماس تفوق حدود الحساسية الكلاسيكية باستخدام الضغط الكمي. هذا الاختراق، الذي قادته أنيا جاييتش ويتميز بعمل ليليان هيوز، يمكن من حساسات كمية أقوى وأكثر إحكاماً للتطبيقات في العالم الحقيقي. يُفصل الإنجاز في ثلاث أوراق علمية حديثة.
تركز البحوث في جامعة كاليفورنيا سانتا باربرا على الماس المزروع في المختبر كمادة رئيسية لتقنيات الكم. أنيا جاييتش، كرسي بروكر المُوهوب في العلوم والهندسة ومديرة مشاركة لمؤسسة NSF Quantum Foundry، تقود فريقاً يدرس العيوب على المستوى الذري المعروفة باسم كيوبيتات الدوران في الماس للحساسية الكمية المتقدمة.
ليليان هيوز، التي أكملت درجة الدكتوراه مؤخراً وتنتقل إلى Caltech لعمل ما بعد الدكتوراه، قادت تقدماً كبيراً. من خلال ثلاث أوراق مشاركة في التأليف —واحدة نُشرت في Physical Review X في مارس 2025 واثنتان في Nature في أكتوبر 2025— أظهرت هيوز أن مجموعات ثنائية الأبعاد من العيوب الكمية يمكن تنظيمها وتشابكها داخل الماس. هذا يمثل حجر ميلاد لأنظمة الحالة الصلبة التي تقدم ميزة كمية قابلة للقياس في الحساسية.
"يمكننا إنشاء تكوين لدورانات مراكز الفراغ-النيتروجين (NV) في الماس مع السيطرة على كثافتها وأبعادها، بحيث تكون مكدسة بكثافة ومحصورة في العمق في طبقة ثنائية الأبعاد," شرحت هيوز. "وبسبب أننا نستطيع تصميم كيفية توجيه العيوب، يمكننا هندستها لتعرض تفاعلات ثنائية القطب غير صفرية."
يتميز مركز NV بذرة نيتروجين تحل محل ذرة كربون وفراغ مجاور. لاحظت جاييتش: "يحتوي عيب مركز NV على بعض الخصائص، إحداها درجة حرية تُدعى الدوران —مفهوم ميكانيكي كمي أساسي. في حالة مركز NV، الدوران طويل العمر جداً. تجعل هذه الحالات الدورانية الطويلة العمر مراكز NV مفيدة للحساسية الكمية."
على عكس التجارب السابقة مع دورانات فردية أو مجموعات غير متفاعلة، يستفيد هذا العمل من مجموعات كثيفة من الدورانات تتفاعل بقوة. "ما هو جديد هنا هو أن... يمكننا الاستفادة فعلياً من السلوك الجماعي، الذي يوفر ميزة كمية إضافية، مما يسمح لنا باستخدام ظواهر التشابك الكمي للحصول على نسب إشارة إلى ضجيج محسنة," قالت جاييتش.
طبيعة الماس الصلبة تجعله أسهل في التكامل من حساسات الذرات في الطور الغازي، التي تتطلب غرف فراغ وأشعة ليزر. يهدف الفريق إلى استخدام هذه الحساسات لاستكشاف الخصائص الإلكترونية للمواد والأنظمة البيولوجية، مثل في الرنين المغناطيسي النووي (NMR) لاكتشاف الحقول المغناطيسية الصغيرة من الذرات.
للتغلب على الحد الكمي القياسي الذي يحدده ضجيج الإسقاط، يستخدم الباحثون ضغط الدوران، الذي يرتبط الحالات الكمية لتقليل عدم اليقين. قارنت جاييتش: "كأنك تحاول قياس شيء باستخدام مسطرة مترية لها تدريجات مفصولة بسنتيمتر... بالضغط —تستخدم فعلياً التفاعلات الميكانيكية الكمية لـ 'سحق' تلك المسطرة، مما يخلق تدريجات أدق."
يصف الورقة الثانية في Nature تضخيم الإشارة لتعزيز الإشارات دون إضافة ضجيج. في المستقبل، تتوقع جاييتش إظهار الميزة الكمية في تجارب عملية قريباً، من خلال تعزيز الضغط أو تشكيل مصفوفات دوران منتظمة للسيطرة على المواقع بدقة أكبر.