منصة حوسبة ثلاثية الكيوبت مصنوعة من دوران الإلكترون – عالم الفيزياء

تم إنشاء منصة حوسبة كمومية قادرة على التشغيل المتزامن للبتات الكمومية المتعددة القائمة على الدوران (qubits) من قبل باحثين في كوريا الجنوبية. صمم بواسطة يوجيونج باي, سو هيون فارك, أندرياس هاينريش وزملاؤه في معهد العلوم الأساسية في سيول، يتم تجميع النظام ذرةً بعد ذرة باستخدام المجهر النفقي الماسح (STM).

في حين أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية في المستقبل يجب أن تكون قادرة على التفوق على أجهزة الكمبيوتر التقليدية في مهام معينة، إلا أن المعالجات الكمومية الناشئة اليوم لا تزال صغيرة جدًا وصاخبة جدًا بحيث لا يمكنها إجراء حسابات عملية. يجب بذل المزيد من الجهود لإنشاء منصات كيوبت قابلة للحياة، يمكنها الاحتفاظ بالمعلومات لفترة كافية حتى تكون أجهزة الكمبيوتر الكمومية قابلة للحياة.

لقد تم بالفعل تطوير الكيوبتات باستخدام العديد من التقنيات المختلفة، بما في ذلك دوائر الحوسبة الفائقة والأيونات المحاصرة. يحرص بعض علماء الفيزياء أيضًا على إنشاء كيوبتات باستخدام دوران الإلكترونات الفردية، لكن مثل هذه الكيوبتات ليست متقدمة مثل بعض نظيراتها. ومع ذلك، هذا لا يعني أن الكيوبتات القائمة على الدوران لم تعد قيد الاستخدام.

يوضح هاينريش: "في هذه المرحلة، جميع المنصات الحالية للحوسبة الكمومية لها عيوب كبيرة، لذلك من الضروري البحث عن أساليب جديدة".

تجميع دقيق

لإنشاء معالج قائم على الدوران، يجب تجميع البتات الكمومية بدقة، وربطها معًا بشكل موثوق، وتشغيلها بطريقة متماسكة كميًا، كل ذلك على نفس المنصة. وهذا شيء استعصى على الباحثين حتى الآن، وفقًا للفريق الذي يتخذ من سيول مقراً له.

أنشأ الباحثون منصتهم متعددة الكيوبتات بمساعدة STM، وهي أداة قوية لتصوير المادة ومعالجتها على المقاييس الذرية. عندما يتم تقريب الطرف الموصل لـ STM جدًا من سطح العينة، تكون الإلكترونات قادرة على النفق ميكانيكيًا الكم بين الطرف وسطح العينة.

نظرًا لأن احتمالية النفق تعتمد بشدة على المسافة بين الحافة والسطح، يمكن لجهاز STM رسم خريطة لتضاريس العينة على المستوى النانوي عن طريق قياس تيار هذه الإلكترونات النفقية. يمكن أيضًا معالجة الذرات الفردية الموجودة على السطح وتجميعها عن طريق دفعها بواسطة القوى النانوية المطبقة بواسطة الطرف.

وباستخدام هذه القدرات، قام الفريق "بإظهار أول منصة كيوبت بدقة ذرية"، وفقًا لهاينريش. "إنه يعتمد على دوران الإلكترون على الأسطح، والتي يمكن وضعها على مسافات ذرية دقيقة عن بعضها البعض."

كيوبت الاستشعار

باستخدام STM، قام الباحثون بتجميع نظامهم على السطح الأصلي لفيلم ثنائي الطبقة من أكسيد المغنيسيوم. يشتمل النظام على كيوبت "مستشعر"، وهو عبارة عن ذرة تيتانيوم ذات دوران 1/2 تقع مباشرة أسفل طرف STM. الطرف مطلي بذرات الحديد، مما يعني أنه يمكن استخدامه لتطبيق مجال مغناطيسي محلي (انظر الشكل).

يوجد على جانبي الطرف زوج من الكيوبتات "البعيدة" - والتي تدور أيضًا حول 1/2 ذرات تيتانيوم. ويتم وضعها على مسافات دقيقة من جهاز الاستشعار الكمي، خارج المنطقة التي يمكن أن يحدث فيها نفق الإلكترون بين الذرات.

للتحكم في البتات الكمومية البعيدة في وقت واحد باستخدام الكيوبت المستشعر، أنشأ الفريق تدرجًا للمجال المغناطيسي عن طريق وضع ذرات الحديد في مكان قريب. تتصرف ذرات الحديد كمغناطيس أحادي الذرة، لأن أوقات استرخاء دورانها تتجاوز بكثير أوقات تشغيل الكيوبتات الفردية.

وبهذه الطريقة، تعمل كل ذرات الحديد كبديل لطرف STM في توفير مجال مغناطيسي محلي ثابت لمحاذاة دوران كل كيوبت بعيد. تتم التحولات بين حالات الدوران للبتات الكمومية باستخدام طرف STM لتطبيق نبضات التردد الراديوي على النظام - وهي تقنية تسمى رنين الدوران الإلكتروني.

معالجتها والتلاعب بها

قام الفريق بتهيئة الكيوبتات الخاصة بهم عن طريق تبريدها إلى درجة حرارة 0.4 كلفن، ثم تطبيق مجال مغناطيسي خارجي لإعادتها إلى نفس حالة الدوران وربطها معًا. بعد ذلك، اعتمدت حالة البت الكمي للمستشعر بشكل موثوق على حالة كل من البتات الكمومية البعيدة، ولكن لا يزال من الممكن معالجتها ومعالجتها بشكل فردي بواسطة طرف STM.

وكانت النتيجة الإجمالية عبارة عن منصة كيوبت جديدة تمامًا تسمح بتشغيل عدة كيوبتات في وقت واحد. يقول هاينريش: "لقد حققت دراستنا كيوبتًا واحدًا، واثنين من الكيوبتات، وثلاثة كيوبتات مع تماسك كمي جيد".

ويضيف أن “المنصة لها إيجابيات وسلبيات. من الناحية الإيجابية، فهو دقيق ذريًا وبالتالي يمكن تكراره بسهولة. ومن ناحية السلبيات، فإن التماسك الكمي جيد ولكنه يحتاج إلى مزيد من التحسين.

إذا أمكن التغلب على هذه التحديات، يرى هاينريش وزملاؤه مستقبلًا مشرقًا لنظامهم.

يقول هاينريش: "نعتقد أن هذا النهج يمكن بسهولة نسبيًّا توسيع نطاقه ليشمل عشرات الكيوبتات الإلكترونية". "يمكن أيضًا ربط هذه السبينات الإلكترونية بشكل يمكن التحكم فيه مع السبينات النووية التي قد تمكن من تصحيح الخطأ الكمي بكفاءة وزيادة مساحة هيلبرت المتاحة للعمليات الكمومية. لقد خدشنا السطح للتو!"

تم وصف البحث في علوم.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/three-qubit-computing-platform-is-made-from-electron-spins/