علم مکانیک کوانتومی بر دنیای ذرات بنیادی حاکم است، جایی که می‌توانیم انواع پدیده‌های کوانتومی را ببینیم. این پدیده‌ها به دلیل رفتار جمعی ذرات پدیدار می‌شود.

این حالت‌های کوانتومی، غیر معمول هستند. آنها رفتاری متفاوت از هر چیزی که محققان می‌شناسند، دارند و فقط در شرایط خاص مانند دمای پایین یا فشار بالا پدیدار می‌شوند. اکثر این حالت‌های کوانتومی عجیب در حد تئوری باقی می‌مانند، زیرا ایجاد آنها به دلیل ظرافت دنیای کوانتوم، دشوار است.

به نقل از آی‌ای، اکنون محققانی از ژاپن و آمریکا چندین حالت کوانتومی که قبلاً مشاهده نشده بودند را در یک ماده دو بعدی مشاهده کرده‌اند. این مواد به فهرست رو به افزایش «باغ وحش کوانتومی»( quantum zoo) پیوستند.

پروفسور «شیائویانگ ژو»( Xiaoyang Zhu) از دانشگاه کلمبیا و نویسنده این مطالعه گفت: برخی از این حالت‌ها قبلاً هرگز مشاهده نشده بودند و ما توقع مشاهده این همه حالت را نداشتیم.

چندین مورد از این حالت‌های کوانتومی پنهان بودند و محققان را ملزم به توسعه یک فناوری نوری مبتکرانه کردند. پژوهشگران از این فناوری برای بررسی حالت‌های کوانتومی «دی‌فنیل‌دی‌تلورید مولیبدن درهم‌تنیده» (tMoTe2) که یک ماده «موآره»( moiré) دوبُعدی است، استفاده کردند.

رایانه کوانتومی توپولوژیکی

مواد «موآره» با روی هم قرار گرفتن ورق‌هایی با ضخامت یک اتم با کمی درهم‌تنیدگی یا عدم تطابق بین لایه‌ها ساخته می‌شوند. این عدم تطابق جزئی، الگوهای بزرگتر و قوس‌دارتری را ایجاد می‌کند که موسوم به «الگوهای موآره» هستند.

مواد «موآره» در شرایط خاص می‌توانند حالت‌هایی را موسوم به «حالت‌های کوانتومی توپولوژیکی»( Topological) نشان دهند. این حالت‌های کوانتومی نتیجه برهمکنش‌های الکترونی است که به دلیل استفاده از آنها در ساخت رایانه‌های کوانتومی، مورد توجه هستند.

واژه «توپولوژیک» به معنی جای‌شناسی یا مکان‌شناسی است.

رایانش کوانتومی «توپولوژیکی» با پیروی از یک استراتژی متفاوت از رویکردهای فعلی متمایز می‌شود. رایانه‌های کوانتومی «توپولوژیکی» به جای رمزگذاری اطلاعات در «کیوبیت‌های»(qubits) شکننده، از کاربرد جهانی حالت‌های کوانتومی استفاده می‌کنند و آنها را پایدارتر و خطاناپذیرتر می‌کنند.

«کیوبیت» یا بیت کوانتومی واحد پایه‌ای پردازش کوانتومی و رمزنگاری کوانتومی است.

این حالت‌های «توپولوژیکی» اغلب با استفاده از میدان‌های مغناطیسی خارجی ایجاد می‌شوند و «کیوبیت‌ها» را در رایانه کوانتومی مختل می‌کنند. این بدان معناست که دانشمندان برای ایجاد حالت‌های کوانتومی «توپولوژیکی» به یک روش بدون مغناطیس نیاز دارند.

محققان برای انجام این کار، فناوری نوری خود را توسعه دادند. آنها برای این فرایند، ماده «موآره درهم‌تنیده» را با تکیه بر «اثر کسری کوانتومی هال»(fractional quantum Hall effect) انتخاب کردند.

در «اثر کسری کوانتومی هال»، الکترون‌ها در یک ماده، به صورت جمعی رفتار می‌کنند و ماده‌ای را ایجاد می‌کنند که به عنوان «شبه‌ذرات»(quasi-particles) شناخته می‌شود. این ذرات دارای بارهایی هستند که کمتر از بار یک الکترون واحد هستند.

دانشمندان این شبه‌ذرات خاص را «آنیون»(anyon) می‌نامند. رفتار «آنیون‌ها» نه شبیه به الکترون‌ها و نه شبیه به فوتون‌هاست.

این مسئله بر خلاف شهود دانشمندان، به دلیل مکانیک کوانتومی اتفاق می‌افتد. نکته این است که این پدیده به میدان‌های مغناطیسی خارجی قوی نیاز دارد که محققان قصد داشتند از آن اجتناب کنند.

با این حال، «ماده موآره tMoTe2» به گونه‌ای است که درهم‌تنیدگی آن یک میدان مغناطیسی داخلی ایجاد می‌کند و امکان مشاهده «اثر کسری کوانتومی هال» را بدون نیاز به میدان مغناطیسی خارجی فراهم می‌کند.

پژوهشگران برای فناوری نوری خود از یک پالس لیزری سریع استفاده می‌کنند که حالت‌های کوانتومی را در ماده به طور موقت مختل می‌کند. سپس با استفاده از  یک پالس دوم بازیابی کننده، حالت‌ها را کنترل می‌کنند.

این روش به آنها اجازه داد تا مشخصات این حالت‌های کوانتومی پنهان را بررسی کنند.

این فناوری نوری که آن را «طیف‌سنجی دمش-کاوش»( pump-probe spectroscopy) نامیدند، حدود 20 حالت کوانتومی پنهان را آشکار کرد. برخی از این حالت‌ها قبلاً مشاهده شده بودند، اما چندین مورد کاملاً جدید بودند.

اکنون محققان قصد دارند این حالت‌های کوانتومی جدید را توصیف کنند تا بتوانند مشخص کنند که کدام یک می‌توانند در محاسبات کوانتومی کاربرد داشته باشد.

این مطالعه در مجله Nature منتشر شده است.