كيف تُحدث فيزياء الكم “ثورة في كل شيء”؟

نشأ ليام هول في مزرعة في أستراليا، وكان ميكانيكيًا “مصابًا بالدهون ومكشطًا”، لكن مهاراته تحسنت بشكل كبير في السنوات الأخيرة.

وهو الآن رئيس قسم التكنولوجيا الحيوية الكمومية في CSIRO، وكالة العلوم الوطنية الأسترالية.

“لدي خلفية مختلفة بعض الشيء. كنت أرغب دائمًا في أن أصبح ميكانيكي ديزل. وأردت أن أدرس الهندسة لفترة في الجامعة. وقد عرّفني ذلك على الفيزياء ومن ثم فيزياء الكم. وركوب الأفعوانية هي طريقة جيدة لوصف ذلك”. ،” هو يقول.

ويعمل فريقه على تطوير تقنيات تشخيصية لاختبار مستويات الحديد لدى المرضى، وتجربة أجهزة استشعار دقيقة مصنوعة من قطع صغيرة من الماس يبلغ حجمها 50 نانومترًا (حوالي 1000 مرة أدق من شعرة الإنسان).

تراقب الطرق الحالية آلية تخزين الحديد في الجسم، وهو بروتين يسمى الفيريتين. في حين أن مراقبة الفيريتين هي طريقة جيدة لقياس الحديد، فإن قياس الكمية الفعلية من الحديد داخل البروتين أكثر دقة.

إحدى الطرق للقيام بذلك هي قياس المجالات المغناطيسية الصغيرة الناتجة عن الحديد. لكن هناك مشكلة كبيرة في هذا النهج.

“[The magnetic field] “إنه صغير تمامًا ويتجاوز قياسات أجهزة قياس المغناطيسية أو المجاهر التقليدية”، يوضح الدكتور هول.

ومع ذلك، يمكن لأجهزة الاستشعار الكمومية النانوية الخاصة بالدكتور هول اكتشاف وقياس تلك المجالات الصغيرة.

ويقول: في المستقبل، يمكن لهذه التكنولوجيا أن تخلق إشارة مبكرة لأي مرض محدد، بما في ذلك مراقبة بعض الهرمونات أو البروتينات التي قد تشير إلى السرطان.

يقول الدكتور هول: “إن ميزة الأنظمة الكمومية هي أنه يمكنك الحصول على تكلفة أقل بكثير، وحساسية أفضل بكثير، وتحديد أسهل للمواد الكيميائية”.

يعد الدكتور هول جزءًا من حملة عالمية لتطوير تقنيات الكم. تحاول دول مثل بريطانيا والصين والولايات المتحدة وأماكن أخرى استغلال الخصائص المختلفة لميكانيكا الكم.

وقال كبير العلماء في CSIRO، البروفيسور برونوين فوكس: “إن الكم هو أحد فرص النمو الواعدة في أستراليا – فرصة لإنشاء أسواق جديدة وتطبيقات جديدة”.

ظهرت ميكانيكا الكم في أوائل القرن العشرين من خلال دراسات أجريت على أصغر الأشياء في الطبيعة. ويعتقد العلماء أن لديها القدرة على توسيع فهمنا للكون وحل المشاكل المعقدة بسرعة البرق.

يبدو نطاق التطبيقات هائلاً؛ من التقدم في العلوم البيئية وإزالة الكربون إلى الأمن السيبراني والأدوية الجديدة. فقد تكون هناك جزيئات “تأكل الكربون” وتزيله من الغلاف الجوي، وبطاريات كمية تعمل على تشغيل السيارات، وطائرات مصممة لتقليل انبعاثاتها، وخدمات لوجستية للنقل للحد من ازدحام الطرق.

أحد طموحات الأبحاث الكمومية هو تسخير قوة الجسيمات دون الذرية لتخزين البيانات ومعالجتها.

في حين أن الحوسبة التقليدية تستخدم عادةً البتات (الأصفار والآحاد)، فإن أجهزة الكمبيوتر الكمومية تستخدم الكيوبتات، والتي يمكن أن تكون أصفارًا أو واحدًا أو مزيجًا من الاثنين معًا في نفس الوقت.

هذا هو المكان الذي تصبح فيه الأمور غريبة بعض الشيء، حيث يمكن للجسيمات أن تتواجد في حالات متعددة في وقت واحد (وهذا ما يسمى التراكب)، وتصبح متشابكة (أو متشابكة) مع بعضها البعض.

“باستخدام مبدأ التراكب الكمي واستخدام تشابك ظاهرة كمومية أخرى، فإنه يسمح لنا بإجراء حسابات قد تكون ببساطة مستحيلة باستخدام أجهزة الكمبيوتر التقليدية. إنه يفتح إمكانية إجراء بعض الحسابات المذهلة التي يمكن أن تغير العالم”، يوضح البروفيسور. أستاذ. أندرو دزوراك من جامعة نيو ساوث ويلز.