هل هناك أي تطبيقات محتملة لمغناطيسات Ndfeb في الحوسبة الكمومية (مثل حماية البتات الكمومية الفائقة التوصيل) أو في استكشاف الفضاء (مثل محاكاة البيئات ذات الجاذبية المنخفضة)؟

1. المقدمة

مغناطيسات NdFeB، المكونة أساسًا من المركب المعدني Nd₂Fe₁₄B، هي أقوى المغناطيسات الدائمة المتوفرة تجاريًا، حيث تتجاوز طاقة منتجاتها (BHmax) 50 MGOe. وتنبع خصائصها المغناطيسية الفائقة - ثباتها العالي (Br > 1.3 T)، وقوة إجبارها (Hci > 2 MA/m)، وكثافة طاقتها - من التباين المغناطيسي البلوري أحادي المحور القوي لطور Nd₂Fe₁₄B. ورغم استخدامها على نطاق واسع في المحركات والمولدات والفواصل المغناطيسية، إلا أن تطبيقاتها تتوسع في قطاعات التكنولوجيا المتقدمة مثل الحوسبة الكمومية واستكشاف الفضاء، مدفوعةً بالحاجة إلى حلول مغناطيسية مدمجة وعالية الأداء في البيئات القاسية.

2. مغناطيسات NdFeB في الحوسبة الكمومية

2.1 تثبيت البتات الكمومية باستخدام المجالات المغناطيسية القوية

الكيوبتات، الوحدات الأساسية للمعلومات الكمومية، حساسة للغاية للضوضاء البيئية، مما يؤدي إلى فقدان التماسك، وهو عائق رئيسي في الحوسبة الكمومية. توفر مغناطيسات NdFeB المجالات المغناطيسية القوية والمستقرة اللازمة لتثبيت الكيوبتات وإطالة زمن تماسكها. على سبيل المثال:

• كيوبتات فائقة التوصيل : في الدوائر الكمومية فائقة التوصيل، تُطبّق كيوبتات باستخدام وصلات جوزيفسون، والتي تتطلب مجالات مغناطيسية دقيقة لضبط مستويات طاقتها. تُمكّن مغناطيسات NdFeB، بقوة مجالها العالية (حتى 1.5 تيسلا عبر فجوات هوائية صغيرة)، من إنشاء أنظمة تحكم مدمجة ومنخفضة الطاقة في كيوبتات. أظهرت دراسة أجريت عام 2021 تجميعًا مغناطيسيًا دائمًا باستخدام مصفوفة هالباخ ​​من مغناطيسات NdFeB ومغناطيس Supermendur الناعم لتحقيق مجال موحد بقوة 1.5 تيسلا عبر فجوة هوائية قطرها 7 مم، وهو مناسب لتشغيل كيوبتات.
• كيوبتات الرنين المغناطيسي النووي (NMR) : في الحوسبة الكمومية القائمة على الرنين المغناطيسي النووي، تُشفَّر كيوبتات الرنين المغناطيسي النووي في دورات نووية، ويعتمد التعامل معها على مجالات مغناطيسية خارجية. توفر مغناطيسات NdFeB التجانس والاستقرار العاليين اللازمين للتحكم الدقيق في الدوران، كما هو الحال في منصات الحوسبة الكمومية المكتبية مثل SpinQ Gemini، التي تستخدم نظامًا لتدعيم المجال للحفاظ على بيئة مغناطيسية مستقرة لمهام الرنين المغناطيسي النووي والحوسبة الكمومية.

2.2 حماية البتات الكمومية فائقة التوصيل من التداخل الكهرومغناطيسي

الكيوبتات الفائقة التوصيل معرضة للتداخل الكهرومغناطيسي (EMI)، مما قد يُسبب انتقالات غير مرغوب فيها وفقدانًا للتماسك. يُعدّ حجب هذه الكيوبتات أمرًا بالغ الأهمية لضمان موثوقية تشغيلها، وتلعب مغناطيسات NdFeB دورًا مزدوجًا:

• الحماية السلبية : يمكن دمج مغناطيسات NdFeB في تصميمات حماية متعددة الطبقات لتخفيف المجالات الكهرومغناطيسية الشاردة. على سبيل المثال، استخدمت دراسة أجريت عام ٢٠٢٢ طبقة فانتابلاك - وهي طبقة شديدة السواد ذات نفاذية مغناطيسية عالية - مع مغناطيسات NdFeB لحماية أنظمة كيوبت فائقة التوصيل من الأشعة تحت الحمراء والتداخل الكهرومغناطيسي، مما أدى إلى انخفاض الضوضاء بمقدار ١٠٠ ضعف.
• التدريع النشط : في بعض التصاميم، تُستخدم مغناطيسات NdFeB لتوليد مجالات مضادة تُلغي التداخل الخارجي، وهي تقنية تُعرف باسم التدريع المغناطيسي النشط. يُعد هذا النهج مفيدًا بشكل خاص في البيئات ذات الضوضاء المغناطيسية الديناميكية، مثل أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي القريبة أو في التجارب الكمومية الفضائية.

2.3 تشابك البتات الكمومية باستخدام المجالات المغناطيسية

بدأ الباحثون باستكشاف تقنيات تعتمد على المغناطيس لتشابك الكيوبتات، وهي عملية أساسية للحوسبة الكمومية. على سبيل المثال، أظهرت دراسة أجريت عام ٢٠٢٣ طريقة بسيطة وفعالة لتشابك الكيوبتات فائقة التوصيل باستخدام فوتونات الموجات الميكروية والمجالات المغناطيسية التي تولدها مغناطيسات NdFeB. يمكن أن يُبسط هذا النهج تصميم الدوائر الكمومية ويُمكّن من تطوير معالجات كمومية قابلة للتطوير.

3. مغناطيسات NdFeB في استكشاف الفضاء

3.1 محاكاة بيئات الجاذبية الصغرى

يُعدّ بحث الجاذبية الصغرى أمرًا بالغ الأهمية لفهم ظواهر مثل سلوك السوائل، والاحتراق، والعمليات البيولوجية في الفضاء. ومع ذلك، فإن إجراء التجارب في المدار مكلف ويتطلب لوجستيات. تُقدّم مغناطيسات NdFeB بديلاً أرضيًا:

• الرفع المغناطيسي : تستطيع مغناطيسات NdFeB عالية الطاقة رفع المواد الديامغناطيسية (مثل الماء والنباتات) عن طريق توليد تدرجات قوية في المجال المغناطيسي. على سبيل المثال، استخدمت منصة ميكروفلويدية طُوّرت عام ٢٠٢١ مغناطيسات NdFeB لرفع بذور نبات الأرابيدوبسيس في مستوى توازن، مُحاكيةً ظروف انعدام الجاذبية لدراسات نمو النباتات.
• أبراج الإسقاط والرحلات المكافئة : في حين توفر هذه المرافق انعدام الجاذبية لمدة قصيرة (ثوانٍ إلى دقائق)، فإن أنظمة الرفع القائمة على NdFeB تمكن من إجراء محاكاة مستمرة لانعدام الجاذبية، مما يسهل إجراء التجارب طويلة الأمد على مزارع الخلايا، ونمو البلورات، وتخليق المواد.

3.2 الحفاظ على صحة رواد الفضاء

يؤدي التعرض المطول لانعدام الجاذبية إلى ضمور العضلات وفقدان كثافة العظام لدى رواد الفضاء. تُستخدم مغناطيسات NdFeB في أجهزة مكافحة الجاذبية لتخفيف هذه الآثار:

• تحفيز العضلات : استخدمت ناسا مغناطيسات NdFeB في أجهزة قابلة للارتداء تُطبّق مجالات مغناطيسية موضعية لتحفيز انقباضات العضلات، مما يُساعد في الحفاظ على قوة العضلات أثناء المهمات الفضائية. تُوفّر هذه المغناطيسات بديلاً غير جراحي وموفرًا للطاقة للتحفيز الكهربائي.
• الحفاظ على كثافة العظام : تستكشف الأبحاث الحديثة استخدام المجالات الكهرومغناطيسية النبضية (PEMF) المُولَّدة من مغناطيسات NdFeB لتعزيز تكوين العظام وتقليل امتصاصها في ظروف الجاذبية الصغرى. وتشير النتائج الأولية إلى أن العلاج بالمجالات الكهرومغناطيسية النبضية قد يكون علاجًا فعالًا لهشاشة العظام الناتجة عن رحلات الفضاء.

3.3 تشغيل أنظمة الدفع المتقدمة

تشكل مغناطيسات NdFeB جزءًا لا يتجزأ من تقنيات الدفع الفضائي من الجيل التالي، مثل:

• محركات الدفع الأيونية : تستخدم هذه المحركات مجالات مغناطيسية لاحتجاز وتسريع الوقود المؤين (مثل الزينون). تُمكّن مغناطيسات NdFeB، بفضل قوتها المجالية العالية، من استخدام محركات دفع أيونية مدمجة وعالية الكفاءة لمهام الفضاء العميق.
• محركات الدفع المغناطيسية البلازمية الديناميكية (MPD) : تعتمد محركات الدفع المغناطيسية البلازمية الديناميكية على مجالات مغناطيسية قوية لتأين البلازما وتسريعها، مما يُولّد قوة دفع. تُستخدم مغناطيسات NdFeB في الفوهات المغناطيسية لهذه المحركات، مما يُحسّن أدائها ويُقلل استهلاكها للطاقة.

3.4 تمكين التجارب الكمومية الفضائية

من المتوقع أن تُحدث تقنيات الكم ثورةً في الاستشعار الفضائي، والاتصالات، والملاحة. وتُعدّ مغناطيسات NdFeB بالغة الأهمية لهذه التطبيقات:

• الساعات الذرية : تستخدم الساعات الذرية فائقة الدقة، الضرورية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) والملاحة في الفضاء السحيق، مجالات مغناطيسية لاحتجاز الذرات والتحكم بها. توفر مغناطيسات NdFeB المجالات المستقرة اللازمة لقياس الوقت بدقة عالية في الفضاء.
• أجهزة الاستشعار الكمومية : تتطلب مقاييس المغناطيسية القائمة على أجهزة التداخل الكمومية فائقة التوصيل (SQUIDs) أو مراكز النيتروجين الشاغرة (NV) في الماس مجالات مغناطيسية قوية وموحدة لإجراء قياسات حساسة. تُمكّن مغناطيسات NdFeB أجهزة استشعار كمومية مدمجة ومنخفضة الطاقة من اكتشاف الشذوذ المغناطيسي على أسطح الكواكب أو مراقبة الطقس الفضائي.

4. التحديات والتوجهات المستقبلية

4.1 التحديات التقنية

• حساسية درجة الحرارة : تفقد مغناطيسات NdFeB قدرتها على الإجبار عند درجات حرارة مرتفعة (أعلى من 150 درجة مئوية)، مما يحد من استخدامها في بيئات الفضاء عالية الحرارة أو بالقرب من كيوبتات فائقة التوصيل تعمل في درجات حرارة منخفضة للغاية. يركز البحث على تطوير أنواع مختلفة من NdFeB عالية الحرارة أو أنظمة مغناطيسية هجينة تجمع بين NdFeB ومغناطيسات الساماريوم والكوبالت (SmCo) أو الفريت.
• تجانس المجال المغناطيسي : يُعدّ تحقيق تجانس المجال الذي يقل عن جزء في المليون، وهو المطلوب للحوسبة الكمومية، أمرًا صعبًا باستخدام المغناطيسات الدائمة. ويجري حاليًا استكشاف تقنيات تصنيع متقدمة، مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد لمصفوفات المغناطيس وطرق الطلاء المتدرج، لتحسين تجانس المجال.

4.2 الاتجاهات المستقبلية

• أنظمة المغناطيس الهجين : إن الجمع بين مغناطيسات NdFeB والمغناطيسات الكهربائية أو الملفات الفائقة التوصيل يمكن أن يعزز نقاط القوة في كلتا التقنيتين - قوة المجال العالية من NdFeB والقدرة على الضبط من المغناطيسات الكهربائية - لتطبيقات مثل تصحيح الخطأ الكمي والحماية الديناميكية.
• التصغير : بما أن تقنيات الكم والفضاء تتطلب مكونات أصغر وأخف وزنًا، يركز البحث على مغناطيسات NdFeB صغيرة الحجم، المصنعة باستخدام تقنيات التصنيع الإضافي أو ترسيب الأغشية الرقيقة. يمكن لهذه المغناطيسات المصغرة أن تُمكّن من تصنيع أجهزة كمومية محمولة وأنظمة دفع مدمجة للأقمار الصناعية الصغيرة.

5. الخاتمة

تُحدث مغناطيسات NdFeB نقلة نوعية في مجال الحوسبة الكمومية واستكشاف الفضاء، وذلك بتوفيرها مجالات مغناطيسية قوية ومستقرة في عبوات مدمجة وموفرة للطاقة. ففي الحوسبة الكمومية، تُثبّت هذه المغناطيسات البتات الكمومية، وتحمي الدوائر فائقة التوصيل، وتُمكّن من ابتكار تقنيات تشابك جديدة، مما يُمهد الطريق لمعالجات كمومية قابلة للتطوير. أما في استكشاف الفضاء، فهي تُحاكي الجاذبية الصغرى، وتحافظ على صحة رواد الفضاء، وتُشغّل أنظمة الدفع المتقدمة، وتدعم الاستشعار والملاحة الكمومية. وبينما لا تزال تحديات مثل حساسية درجة الحرارة وتجانس المجال قائمة، فإن الأبحاث الجارية في أنظمة المغناطيس الهجينة والتصغير تُبشّر بفتح آفاق جديدة لمغناطيسات NdFeB في هذه القطاعات التكنولوجية المتقدمة. ومع استمرار تطور تقنيات الكم والفضاء، ستظل مغناطيسات NdFeB أدوات لا غنى عنها للابتكار والاكتشاف.