قفزة كبيرة في الحوسبة الكمية مع تطور مغناطيسي – “نموذج جديد”
حقق فريق بقيادة جامعة واشنطن إنجازًا رئيسيًا في الحوسبة الكمومية من خلال اكتشاف حالات هول الشاذة الجزئية في رقائق مادة أشباه الموصلات، والتي يمكن أن تكون مفيدة في إنشاء كيوبتات مستقرة ومتحملة للأخطاء.
الحوسبة الكمومية يمكن أن تحدث ثورة في عالمنا. من أجل مهام محددة وحاسمة، يعد بأن يكون أسرع بشكل كبير من التكنولوجيا الثنائية صفر أو واحد التي تشكل أساس آلات اليوم، من أجهزة الكمبيوتر العملاقة في المختبرات إلى الهواتف الذكية في جيوبنا. لكن تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية يتوقف على بناء شبكة مستقرة من الكيوبتات – أو البنات الكمومية – لتخزين المعلومات والوصول إليها وإجراء العمليات الحسابية.
ومع ذلك، فإن منصات الكيوبت التي تم كشف النقاب عنها حتى الآن تواجه مشكلة شائعة: فهي تميل إلى أن تكون حساسة وعرضة للاضطرابات الخارجية. حتى الفوتون الضال يمكن أن يسبب مشاكل. قد يكون تطوير كيوبتات قادرة على تحمل الأخطاء – والتي ستكون محصنة ضد الاضطرابات الخارجية – هو الحل النهائي لهذا التحدي.
أعلن فريق بقيادة علماء ومهندسين في جامعة واشنطن عن تقدم كبير في هذا المسعى. في ورقتين نشرتا في 14 حزيران (يونيو) في مجلة Nature و 22 حزيران (يونيو) في مجلة Science ، أفادوا أنه في التجارب التي أجريت على رقائق من مواد أشباه الموصلات – كل منها بسماكة طبقة واحدة فقط من الذرات – اكتشفوا توقيعات “قاعة شذوذ كمومية جزئية” (FQAH) تنص على. تمثل اكتشافات الفريق خطوة أولى وواعدة في بناء نوع من الكيوبت المتسامح مع الخطأ لأن دول FQAH يمكن أن تستضيف أيونات – “أشباه جسيمات” غريبة لا تحتوي إلا على جزء بسيط من شحنة الإلكترون. يمكن استخدام بعض أنواع أيون لعمل ما يسمى كيوبتات “محمية طوبولوجيًا”، والتي تكون مستقرة ضد أي اضطرابات محلية صغيرة.
قال Xiaodong Xu ، الباحث الرئيسي وراء هذه الاكتشافات، وهو أيضًا أستاذ الفيزياء المتميز في Boeing وأستاذ علوم وهندسة المواد في UW.
ترتبط حالات FQAH بحالة القاعة الكمية الكسرية، وهي مرحلة غريبة من المادة موجودة في أنظمة ثنائية الأبعاد. في هذه الحالات، تكون الموصلية الكهربائية مقيدة بأجزاء دقيقة من ثابت يعرف باسم كمية التوصيل. لكن أنظمة القاعة الكمومية الجزئية تتطلب مجالات مغناطيسية ضخمة للحفاظ عليها مستقرة، مما يجعلها غير عملية للتطبيقات في الحوسبة الكمومية. حالة FQAH ليس لها مثل هذا المطلب – فهي مستقرة حتى “عند صفر مجال مغناطيسي”، وفقًا للفريق.
تطلب استضافة مثل هذه المرحلة الغريبة من المادة من الباحثين بناء شبكة صناعية ذات خصائص غريبة. قاموا بتكديس شريحتين رفيعتين ذريًا من مادة الموليبدينوم ديتيلورايد (MoTe 2) في زوايا صغيرة “ملتوية” متبادلة بالنسبة لبعضها البعض. شكل هذا التكوين “شعرية قرص العسل” الاصطناعية للإلكترونات. عندما قام الباحثون بتبريد الشرائح المكدسة إلى بضع درجات فوق الصفر المطلق، نشأت مغناطيسية جوهرية في النظام. تحل المغناطيسية الجوهرية محل المجال المغناطيسي القوي المطلوب عادةً لحالة القاعة الكمية الكسرية. باستخدام الليزر كمجسات، اكتشف الباحثون توقيعات تأثير FQAH، وهي خطوة كبيرة إلى الأمام في إطلاق قوة أيون للحوسبة الكمومية.
يتصور الفريق – الذي يضم أيضًا علماء في جامعة هونج كونج، والمعهد الوطني لعلوم المواد في اليابان، وكلية بوسطن، ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا – نظامهم كمنصة قوية لتطوير فهم أعمق لأي شخص، خصائص مختلفة عن الجسيمات اليومية مثل الإلكترونات. الأيونات هي أشباه جسيمات – أو “إثارة” تشبه الجسيمات – يمكن أن تعمل ككسور من الإلكترون. في العمل المستقبلي مع نظامهم التجريبي، يأمل الباحثون في اكتشاف نسخة أكثر غرابة من هذا النوع من أشباه الجسيمات: أيونات “غير أبيلية”، والتي يمكن استخدامها كوحدات كيوبت طوبولوجية. التفاف – أو “التضفير” – غير أبيليان حول بعضهم البعض في هذه الحالة الكمومية،
قال إريك أندرسون، طالب الدكتوراه في الفيزياء في جامعة ويسكونسن ، والمؤلف الرئيسي لورقة العلوم والمؤلف الرئيسي المشارك في بحث الطبيعة: “هذا النوع من الكيوبت الطوبولوجي سيكون مختلفًا جوهريًا عن تلك التي يمكن إنشاؤها الآن”. “السلوك الغريب لأفراد من غير أبيليان سيجعلهم أكثر قوة كمنصة للحوسبة الكمومية.”
ثلاث خصائص رئيسية، وكلها موجودة في وقت واحد في الإعداد التجريبي للباحثين، سمحت لحالات FQAH بالظهور:
- المغناطيسية: على الرغم من أن MoTe 2 ليس مادة مغناطيسية، عندما قاموا بتحميل النظام بشحنات موجبة، ظهر “ترتيب دوران تلقائي” – وهو شكل من أشكال المغناطيسية يسمى المغناطيسية الحديدية -.
- الهيكل: تحتوي الشحنات الكهربائية داخل نظامها على “نطاقات ملتوية”، على غرار شريط موبيوس ، مما يساعد على جعل النظام طوبولوجيًا.
- التفاعلات: تتفاعل الشحنات داخل نظامهم التجريبي بقوة كافية لتحقيق الاستقرار في حالة FQAH.
يأمل الفريق، باستخدام نهجهم، أن ينتظر أي شخص غير أبيلي اكتشافه.
قال جياكي كاي، طالب الدكتوراه في الفيزياء في جامعة ويسكونسن ، المؤلف الرئيسي المشارك في ورقة الطبيعة والمؤلف المشارك لورقة العلوم: “إن التواقيع الملحوظة لتأثير هول الكمي الشاذ الجزئي ملهمة”. “يمكن أن تكون الحالات الكمومية المثمرة في النظام مختبرًا على رقاقة لاكتشاف فيزياء جديدة في بعدين، وكذلك أجهزة جديدة للتطبيقات الكمومية.”
قال شو، الذي هو أيضًا عضو في معهد الهندسة والعلوم الجزيئية، ومعهد الأنظمة الهندسية النانوية، ومعهد الطاقة النظيفة، وكلها في UW: “يقدم عملنا دليلًا واضحًا على دول FQAH التي طال انتظارها”. “نحن نعمل حاليًا على قياسات النقل الكهربائي، والتي يمكن أن توفر دليلًا مباشرًا لا لبس فيه على الإثارة الجزئية عند صفر مجال مغناطيسي.”
يعتقد الفريق أنه من خلال نهجهم، يمكن أن يصبح التحقيق والتلاعب في حالات FQAH غير العادية أمرًا شائعًا – مما يؤدي إلى تسريع رحلة الحوسبة الكمومية.
المصدر: scitechdaily
قد يهمك:
