البحث عن بت كمي مثالي: اختراق كيوبت الجديد يمكن أن يحدث ثورة في الحوسبة الكمومية
يمكن لمنصة كيوبت جديدة أن تحول علوم وتكنولوجيا المعلومات الكمومية.
لا شك في أنك تشاهد هذه المقالة على جهاز رقمي تكون وحدته الأساسية للمعلومات هي البت، إما 0 أو 1. يتسابق العلماء حول العالم لتطوير نوع جديد من الكمبيوتر يعتمد على استخدام البنات الكمومية أو الكيوبتات.
في ورقة بحثية نُشرت في 4 مايو 2022، في مجلة Nature ، أعلن فريق بقيادة مختبر أرغون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE) عن إنشاء منصة كيوبت جديدة تشكلت عن طريق تجميد غاز النيون وتحويله إلى مادة صلبة عند مستوى منخفض جدًا.
درجات الحرارة، ورش الإلكترونات من خيوط المصباح الكهربائي على المادة الصلبة، وحبس إلكترون واحد هناك. هذا النظام لديه القدرة على تطويره ليصبح لبنات بناء مثالية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية في المستقبل.
“يبدو أن الكيوبت المثالي قد يكون في الأفق. بفضل البساطة النسبية لمنصة الإلكترون على النيون، يجب أن تفسح المجال لسهولة التصنيع بتكلفة منخفضة. ” – دافي جين، عالم الأرجون في مركز المواد النانوية
للحصول على كمبيوتر كمي مفيد، فإن متطلبات الجودة للكيوبتات تتطلب الكثير من المتطلبات. في حين أن هناك أشكالًا مختلفة من الكيوبتات اليوم، إلا أن أيا منها ليس هو الأمثل.
ما الذي يجعل كيوبت مثاليًا؟ لديه ما لا يقل عن ثلاث صفات الاسترليني، وفقا لدافي جين، عالم أرغون والباحث الرئيسي في المشروع.
يمكن أن تظل في حالة 0 و1 متزامنة (تذكر القط!) لفترة طويلة. يسمي العلماء هذا التماسك الطويل. من الناحية المثالية، سيكون ذلك الوقت حوالي ثانية، وهي خطوة زمنية يمكننا إدراكها على مدار الساعة في المنزل في حياتنا اليومية.
ثانيًا، يمكن تغيير الكيوبت من حالة إلى أخرى في وقت قصير. من الناحية المثالية، سيكون ذلك الوقت حوالي جزء من المليار من الثانية (نانو ثانية)، وهي خطوة زمنية لساعة الكمبيوتر الكلاسيكية.
ثالثًا، يمكن ربط الكيوبت بسهولة بالعديد من الكيوبتات الأخرى بحيث يمكنها العمل بالتوازي مع بعضها البعض. يشير العلماء إلى هذا الارتباط على أنه تشابك.
على الرغم من أن الكيوبتات المعروفة ليست مثالية في الوقت الحالي، إلا أن شركات مثل IBM و Intel و Google و Honeywell والعديد من الشركات الناشئة قد اختارت مفضلاتها. إنهم يسعون بقوة إلى التحسين التكنولوجي والتسويق.
قال جين: “هدفنا الطموح ليس التنافس مع تلك الشركات، ولكن لاكتشاف وبناء نظام كيوبت جديد بشكل أساسي يمكن أن يؤدي إلى منصة مثالية”.
في حين أن هناك العديد من الخيارات لأنواع الكيوبت ، اختار الفريق أبسطها – إلكترون واحد. يمكن أن يؤدي تسخين خيوط ضوئية بسيطة قد تجدها في لعبة طفل إلى إطلاق إمداد غير محدود من الإلكترونات بسهولة.
أحد التحديات التي تواجه أي كيوبت ، بما في ذلك الإلكترون، هو أنه حساس جدًا للاضطراب من محيطه. وهكذا، اختار الفريق حبس إلكترون على سطح نيون صلب عالي النقاوة في فراغ.
النيون هو أحد العناصر الخاملة التي لا تتفاعل مع العناصر الأخرى. قال جين: “بسبب هذا الخمول، يمكن أن يكون النيون الصلب أنظف مادة صلبة ممكنة في الفراغ لاستضافة وحماية أي كيوبتات من التعطل”.
أحد المكونات الرئيسية في منصة الكيوبت الخاصة بالفريق هو مرنان ميكروويف على نطاق الرقاقة مصنوع من موصل فائق.
(فرن الميكروويف المنزلي الأكبر حجمًا هو أيضًا مرنان ميكروويف.) الموصلات الفائقة – معادن بدون مقاومة كهربائية – تسمح للإلكترونات والفوتونات بالتفاعل معًا بالقرب من الصفر المطلق مع الحد الأدنى من فقدان الطاقة أو المعلومات.
قال كاتر مورتش ، أستاذ الفيزياء في جامعة واشنطن في سانت لويس وأحد كبار مؤلفي الورقة البحثية: “يوفر مرنان الميكروويف بشكل حاسم طريقة لقراءة حالة الكيوبت”.
إنه يركز التفاعل بين إشارة الكيوبت والميكروويف. يتيح لنا ذلك إجراء قياسات توضح مدى جودة عمل الكيوبت “.
قال Xianjing Zhou ، أحد المعينين بعد الدكتوراه في Argonne والمؤلف الأول لـ الورقة. وأضاف تشو: “هذا يفتح إمكانية استخدام فوتونات الميكروويف للتحكم في كل كيوبت إلكترون وربط العديد منها في معالج كمي”.
“الكيوبتات لدينا هي في الواقع جيدة مثل تلك التي طورها الناس لمدة 20 عامًا.” – ديفيد شوستر ، أستاذ الفيزياء بجامعة شيكاغو وأحد مؤلفي الورقة البحثية
اختبر الفريق المنصة في أداة علمية تسمى ثلاجة التخفيف، والتي يمكن أن تصل إلى درجات حرارة منخفضة لا تزيد عن 10 ملليجرام فوق الصفر المطلق.
هذه الأداة هي واحدة من العديد من القدرات الكمية في مركز أرجون للمواد النانوية، وهو مرفق مستخدم تابع لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة.
أجرى الفريق عمليات في الوقت الفعلي على إلكترون كيوبت وتميز بخصائصه الكمية.
أظهرت هذه الاختبارات أن النيون الصلب يوفر بيئة قوية للإلكترون مع ضوضاء كهربائية منخفضة جدًا لإزعاجه. الأهم من ذلك، أن الكيوبت قد حقق أوقاتًا متماسكة في الحالة الكمومية منافسة لأحدث الكيوبتات.
قال ديفيد شوستر ، أستاذ الفيزياء في جامعة شيكاغو وأحد كبار مؤلفي الورقة البحثية، “إن الكيوبتات الخاصة بنا هي في الواقع جيدة مثل تلك التي طورها الناس لمدة 20 عامًا”.
“هذه فقط سلسلة تجاربنا الأولى. منصة الكيوبت الخاصة بنا ليست في أي مكان بالقرب من الأمثل. سنواصل تحسين أوقات الاتساق.
ولأن سرعة تشغيل منصة الكيوبت هذه سريعة للغاية، فقط عدة نانوثانية ، فإن الوعد بتوسيعها إلى العديد من الكيوبتات المتشابكة يعد أمرًا مهمًا “.
هناك ميزة أخرى لمنصة الكيوبت الرائعة هذه، حيث قال جين: “بفضل البساطة النسبية لمنصة الإلكترون على النيون، يجب أن تفسح المجال لتصنيعها بسهولة بتكلفة منخفضة”. “يبدو أن الكيوبت المثالي قد يكون في الأفق.”
المصدر: scitechdaily
شاهد ايضا:
