فناوری حسگر کوانتومی نوین، اسرار زیراتمی را آشکار می‌کند

کشف نوآورانه در علم سنجش کوانتومی

از دهه ۱۹۵۰، دانشمندان از امواج رادیویی برای کشف اثر انگشت مولکولی مواد ناشناخته استفاده کرده‌اند. این روش‌ها در حوزه‌های متنوعی مانند اسکن بدن انسان با دستگاه‌های MRI و شناسایی مواد منفجره در فرودگاه‌ها موثر بوده‌اند. با این حال، این روش‌ها به سیگنال‌هایی وابسته‌اند که از تریلیون‌ها اتم میانگین‌گیری شده‌اند، و به همین دلیل امکان شناسایی تغییرات کوچک بین مولکول‌های فردی وجود ندارد. این محدودیت‌ها کاربردها در زمینه‌هایی مانند تحقیقات پروتئین را مختل می‌کند، جایی که تفاوت‌های کوچک در شکل می‌تواند عملکرد را کنترل کرده و تفاوت بین سلامت و بیماری را تعیین کند.

بینش‌های زیر اتمی

در حال حاضر، مهندسان در دانشکده مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه پنسیلوانیا (Penn Engineering) از حسگرهای کوانتومی برای تحقق یک نوع نوآورانه از طیف‌سنجی رزونانس کوادروپولار هسته‌ای (NQR) استفاده کرده‌اند. این تکنیک به طور سنتی برای شناسایی داروها و مواد منفجره یا تحلیل داروها به کار می‌رود. این روش جدید که در نشریه Nano Letters منتشر شده، به قدری دقیق است که می‌تواند سیگنال‌های NQR را از اتم‌های فردی شناسایی کند — دستاوردی که روزی غیرقابل دستیابی تصور می‌شد. این حساسیت بی‌سابقه درهای جدیدی را به روی پیشرفت‌ها در زمینه‌هایی مانند توسعه دارو باز می‌کند، جایی که درک تعاملات مولکولی در سطح اتمی حیاتی است.

لی باسِت، استاد یار در مهندسی برق و سیستم‌ها (ESE)، مدیر آزمایشگاه مهندسی کوانتوم دانشگاه پن و نویسنده ارشد این مقاله می‌گوید: “این تکنیک به ما امکان می‌دهد هسته‌های فردی را ایزوله کنیم و تفاوت‌های کوچک را در مولکول‌هایی که به نظر یکسان می‌رسند، آشکار کنیم. با تمرکز بر روی یک هسته، می‌توانیم جزئیات بیشتری درباره ساختار و دینامیک مولکولی که قبلاً پنهان مانده بودند، کشف کنیم. این قابلیت به ما اجازه می‌دهد تا بلوک‌های سازنده جهان طبیعی را در مقیاسی کاملاً جدید مطالعه کنیم.”

کشف غیرمنتظره

این کشف از یک مشاهده غیرمنتظره در طول آزمایش‌های روتین ناشی شد. الکس برایت‌ویزر، فارغ‌التحصیل دکتری فیزیک از دانشکده هنر و علوم دانشگاه پن و نویسنده همکار این مقاله که هم‌اکنون محقق IBM است، در حال کار با مراکز نیتروژن-خلاء (NV) در الماس‌ها — نقص‌های اتمی که معمولاً در سنجش کوانتومی استفاده می‌شوند — بود که الگوهای غیرمعمولی در داده‌ها مشاهده کرد. سیگنال‌های دوره‌ای به نظر می‌رسیدند که یک اثر آزمایشی هستند، اما پس از عیب‌یابی گسترده همچنان ادامه داشتند. با بازگشت به کتاب‌های درسی دهه‌های ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ درباره رزونانس مغناطیسی هسته‌ای، برایت‌ویزر یک مکانیزم فیزیکی را شناسایی کرد که توضیح می‌داد آنچه را که می‌دید، اما قبلاً به عنوان غیرقابل توجه تجربی رد شده بود.

پیشرفت‌های فناوری و کشف‌های جدید در فیزیک

پیشرفت‌های فناوری به تیم این امکان را داد تا اثراتی را شناسایی و اندازه‌گیری کنند که روزگاری فراتر از دسترس ابزارهای علمی بودند. بریت‌وایزر می‌گوید: «متوجه شدیم که تنها یک ناهنجاری را نمی‌بینیم؛ بلکه وارد یک رژیم جدید از فیزیک شده‌ایم که می‌توانیم با این فناوری به آن دسترسی پیدا کنیم.»

دقت بی‌سابقه

درک این اثر از طریق همکاری با محققان دانشگاه فناوری دلفت در هلند، جایی که بریت‌وایزر زمانی را به تحقیق در موضوعات مرتبط اختصاص داده بود، بیشتر توسعه یافت. این همکاری شامل ترکیب تخصص در فیزیک تجربی، حس‌گری کوانتومی و مدل‌سازی نظری بود. تیم موفق به ایجاد روشی شد که قادر به ثبت سیگنال‌های اتمی به صورت تفکیک شده با دقت فوق‌العاده بود. ماتیو اولت، فارغ‌التحصیل دکتری ESE و یکی از نویسندگان اصلی مقاله، توضیح می‌دهد: «این کمی شبیه به جدا کردن یک ردیف در یک صفحه گسترده بزرگ است. NQR سنتی چیزی شبیه به میانگین تولید می‌کند – شما حس کلی داده‌ها را دریافت می‌کنید، اما از نقاط داده فردی چیزی نمی‌دانید. با این روش، گویی تمام داده‌های پشت میانگین را کشف کرده‌ایم و سیگنال را از یک هسته جدا کرده و ویژگی‌های منحصر به فرد آن را نمایان کرده‌ایم.»

تجزیه و تحلیل سیگنال‌ها

تعیین مبانی نظری نتیجه تجربی غیرمنتظره نیاز به تلاش قابل توجهی داشت. اولت مجبور بود فرضیه‌های مختلف را با دقت آزمایش کند و شبیه‌سازی‌ها و محاسباتی انجام دهد تا داده‌ها را با علل احتمالی مطابقت دهد. او توضیح می‌دهد: «این کمی شبیه به تشخیص بیماری بر اساس علائم است. داده‌ها به چیزی غیرعادی اشاره می‌کنند، اما اغلب توضیحات ممکن متعددی وجود دارد. برای رسیدن به تشخیص صحیح زمان زیادی طول کشید.»

نگاهی به آینده

محققان در آینده پتانسیل وسیعی برای روش خود در حل چالش‌های علمی فوری می‌بینند. با توصیف پدیده‌هایی که قبلاً پنهان بودند، این روش جدید می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا مکانیزم‌های مولکولی که دنیای ما را شکل می‌دهند، بهتر درک کنند. این مطالعه در دانشکده مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه پنسیلوانیا انجام شد و توسط بنیاد ملی علوم (ECCS-1842655، DMR-2019444) حمایت شد. حمایت‌های اضافی از سوی شورای تحقیقات علوم طبیعی و مهندسی کانادا، از طریق یک بورس دکتری که به اولت اعطا شد، و از سوی IBM، از طریق یک بورس دکتری که به بریت‌وایزر اعطا شد، ارائه شد. نویسندگان همکار دیگر شامل تزو-یونگ هوانگ، که قبلاً دانشجوی دکتری در ESE در دانشگاه پن بود و اکنون در آزمایشگاه‌های نوکیا مشغول به کار است، و تیم اچ. تامینیو از دانشگاه فناوری دلفت هستند.