پژوهشگران دانشگاه کرنل روش جدیدی برای محافظت از اسپین‌های اتمی در برابر نویزهای محیطی توسعه داده‌اند که می‌تواند به پیشرفت حسگرهای کوانتومی، سامانه‌های ناوبری، و فناوری‌های اطلاعات کوانتومی منجر شود.

این تیم با استفاده از نور لیزر توانستند جهت‌گیری اسپین اتم‌ها را در بخار سزیم هماهنگ کنند و بدون نیاز به سرمایش شدید یا تنظیمات پیچیده‌ی مغناطیسی، زمان هم‌دوسی اسپین‌ها را تا ۹ برابر افزایش دهند.

این روش در شرایط دمایی معمولی عمل می‌کند و می‌تواند زمینه‌ساز ساخت دستگاه‌های کوانتومی کاربردی‌تر، مقاوم‌تر و دقیق‌تر برای استفاده در تصویربرداری پزشکی، اکتشافات فضایی و ناوبری مستقل از GPS باشد.

یک روش قدرتمند و نوین برای محافظت از اسپین‌های اتمی در برابر “نویز” محیطی — که گامی مهم در جهت افزایش دقت و پایداری فناوری‌هایی مانند حسگرهای کوانتومی و سامانه‌های ناوبری به شمار می‌رود — توسط تیمی از فیزیک‌دانان دانشگاه عبری اورشلیم (در دپارتمان فیزیک کاربردی و مرکز علوم و فناوری نانو) و با همکاری مدرسه فیزیک کاربردی و مهندسی دانشگاه کرنل توسعه یافته است.

همان‌طور که در مجله Physical Review Letters توضیح داده شده، پژوهشگران موفق به افزایش زمان حفظ جهت‌گیری اسپین اتم‌های سزیم تا ۹ برابر شده‌اند. اتم‌هایی با الکترون‌های جفت‌نشده — مانند اتم‌های بخار سزیم — دارای خاصیتی به نام «اسپین» هستند که با میدان‌های مغناطیسی تعامل دارد و می‌تواند برای اندازه‌گیری بسیار حساس میدان‌های مغناطیسی، گرانش و حتی فعالیت مغزی مورد استفاده قرار گیرد.

اتم‌ها با یکدیگر و با محیط اطراف برخورد می‌کنند و جهت‌گیری خود را از دست می‌دهند (پدیده‌ای به نام آرامش اسپین یا spin relaxation) حتی در اثر کوچک‌ترین اختلال از سوی دیگر اتم‌ها یا دیواره ظرف. تا پیش از این، محافظت از این اسپین‌ها در برابر چنین تداخلاتی نیازمند تنظیمات پیچیده یا شرایط خاصی بود که در نتیجه باعث از دست رفتن داده‌ها می‌شد. پژوهشگران اکنون با استفاده از نور لیزر، تفاوت در پیکربندی‌های مختلف اسپین را کنترل کرده‌اند تا رفتار هماهنگ و جمعی بین اتم‌های در حال چرخش حتی در میدان‌های مغناطیسی قوی حفظ شود و در نتیجه، اسپین‌ها با یکدیگر هم‌زمان (synchronized) باقی بمانند.

«این رویکرد فصل جدیدی در محافظت از سامانه‌های کوانتومی در برابر نویز باز می‌کند»، پژوهشگران اعلام کردند. «با بهره‌گیری از حرکت طبیعی اتم‌ها و استفاده از نور به‌عنوان یک پایدارکننده، اکنون می‌توانیم همدوسی اسپین‌ها را در شرایطی بسیار گسترده‌تر از گذشته حفظ کنیم.»

این فناوری می‌تواند عملکرد دستگاه‌هایی که به اسپین اتمی متکی هستند را به‌طور قابل‌توجهی بهبود بخشد، از جمله:

حسگرهای کوانتومی و مغناطیس‌سنج‌ها که در تصویربرداری پزشکی، باستان‌شناسی و اکتشافات فضایی به کار می‌روند

سامانه‌های ناوبری دقیق که بدون وابستگی به GPS عمل می‌کنند

بسترهای پردازش اطلاعات کوانتومی که پایداری اسپین در آن‌ها برای ذخیره‌سازی و پردازش اطلاعات حیاتی است

از آنجا که این روش در محیط‌های «گرم» نیز قابل اجراست و نیازی به سرمایش شدید یا تنظیمات پیچیده میدان‌های مغناطیسی ندارد، در مقایسه با رویکردهای پیشین، گزینه‌ای بسیار عملی‌تر برای کاربردهای واقعی به شمار می‌رود.

این پژوهش بر پایه چند دهه تحقیقات در فیزیک اتمی انجام شده، اما راه‌حل ساده و در عین حال زیبای آن — یعنی استفاده از نور برای هماهنگ‌سازی رفتار اتم‌ها — یک جهش علمی مهم محسوب می‌شود. این روش می‌تواند مسیر را برای توسعه فناوری‌های کوانتومی پایدارتر، دقیق‌تر و در دسترس‌تر در آینده نزدیک هموار کند.

مقاله این پژوهش با عنوان «محافظت نوری از اتم‌های فلزات قلیایی در برابر آرامش اسپین» اکنون در نشریه Physical Review Letters منتشر شده، قابل دسترسی است.

روشی جدید ذخیره‌سازی داده‌های بیشتر و حفظ جهت‌گیری اسپین در حافظه کوانتومی را فراهم می‌کند