كشف لغز الكم: كيف يعزز التنتالوم أداء كيبيت
اكتشف العلماء أن التنتالوم ، وهو معدن فائق التوصيل، يحسن بشكل كبير أداء الكيوبت في أجهزة الكمبيوتر الكمومية. باستخدام التحليل الطيفي الكهروضوئي للأشعة السينية، وجدوا أن طبقة أكسيد التنتالوم على الكيوبتات كانت غير موحدة، مما دفع إلى مزيد من التحقيقات حول كيفية تعديل هذه الواجهات لتعزيز الأداء العام للجهاز.
يقوم الباحثون بفك تشفير الملف الكيميائي لأكاسيد سطح التنتالوم لتعزيز فهم آليات الفقد ولتعزيز أداء الكيوبتات.
سواء أكان الأمر يتعلق بخبز كعكة، أو تشييد مبنى، أو إنشاء جهاز كمي، فإن عيار المنتج النهائي يتأثر بشكل كبير بالمكونات أو المواد الأساسية المستخدمة. في سعيهم لتعزيز أداء الكيوبتات فائقة التوصيل، والتي تشكل حجر الأساس لأجهزة الكمبيوتر الكمومية، كان العلماء يبحثون عن مواد أساسية مختلفة بهدف إطالة الأعمار المتماسكة لهذه الكيوبتات.
يعمل وقت الاتساق كمقياس لتحديد المدة التي يمكن للكيوبت خلالها الاحتفاظ بالبيانات الكمية، مما يجعلها مؤشر أداء رئيسي. أظهر كشف حديث للباحثين أن استخدام التنتالوم في الكيوبتات فائقة التوصيل يعزز وظائفها. ومع ذلك، ظلت الأسباب الأساسية غير معروفة – حتى الآن.
قام علماء من مركز المواد النانوية الوظيفية (CFN)، والمصدر الوطني للضوء السنكروترون II (NSLS-II)، ومركز التصميم المشترك لمزايا الكم (C2QA)، وجامعة برينستون، بالتحقيق في الأسباب الأساسية التي تجعل أداء هذه الكيوبتات أفضل عن طريق فك تشفير الملف الكيميائي للتنتالوم.
ستوفر نتائج هذا العمل، الذي نُشر مؤخرًا في مجلة Advanced Science ، المعرفة الأساسية لتصميم كيوبتات أفضل في المستقبل. CFN وNSLSII هما مكتب وزارة الطاقة الأمريكية (DOE) لمنشآت مستخدمي العلوم في مختبر Brookhaven الوطني التابع لوزارة الطاقة الالأمريكية.2QA هو مركز أبحاث علوم معلومات الكم الوطنية بقيادة Brookhaven ، والذي تعد جامعة برينستون شريكًا رئيسيًا فيه.
العثور على المكون الصحيح
التنتالوم معدن فريد ومتعدد الاستخدامات. إنه كثيف وصعب وسهل العمل معه. يتميز التنتالوم أيضًا بنقطة انصهار عالية ومقاوم للتآكل، مما يجعله مفيدًا في العديد من التطبيقات التجارية. بالإضافة إلى ذلك، يعتبر التنتالوم موصلًا فائقًا، مما يعني أنه لا يتمتع بمقاومة كهربائية عند تبريده إلى درجات حرارة منخفضة بدرجة كافية، وبالتالي يمكنه حمل التيار دون أي فقد للطاقة.
أظهرت الكيوبتات فائقة التوصيل المستندة إلى التنتالوم عمرًا قياسيًا طويلاً لأكثر من نصف ميلي ثانية. هذا أطول بخمس مرات من عمر الكيوبتات المصنوعة من النيوبيوم والألمنيوم، والتي يتم نشرها حاليًا في معالجات الكم واسعة النطاق.
يتم تمييز أكسيد التنتالوم (TaOx) باستخدام التحليل الطيفي الضوئي للأشعة السينية. الائتمان: مختبر Brookhaven الوطني
هذه الخصائص تجعل التنتالوم مادة مرشحة ممتازة لبناء كيوبتات أفضل. ومع ذلك، فإن هدف تحسين أجهزة الكمبيوتر الكمومية فائقة التوصيل قد تعرقل بسبب عدم فهم ما يحد من عمر الكيوبت ، وهي عملية تُعرف باسم فك الترابط. يُعتقد عمومًا أن الضوضاء والمصادر المجهرية لفقدان العازل الكهربائي تساهم في حدوث ذلك؛ ومع ذلك، فإن العلماء غير متأكدين بالضبط لماذا وكيف.
أوضحت ناتالي دي ليون، الأستاذة المساعدة في الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في جامعة برينستون وقائدة دفع المواد في C2QA: ” العمل في هذه الورقة هو واحد من دراستين متوازيين تهدفان إلى معالجة تحدٍ كبير في تصنيع الكيوبت”. “لم يقترح أحد نموذجًا مجهريًا ذريًا للخسارة يشرح كل السلوك المرصود، ثم كان قادرًا على إظهار أن نموذجهم يحد من جهاز معين. وهذا يتطلب تقنيات قياس دقيقة وكمية، بالإضافة إلى تحليل بيانات متطور “.
نتائج مفاجئة
للحصول على صورة أفضل لمصدر فك ترابط الكيوبت ، نما العلماء في جامعة برينستون وCFN وعالجوا أغشية التنتالوم كيميائيًا على ركائز من الياقوت. ثم أخذوا هذه العينات إلى خطوط الأشعة الطيفية اللينة والعطاء (SST-1 وSST-2) في NSLS-II لدراسة أكسيد التنتالوم الذي تشكل على السطح باستخدام التحليل الطيفي الضوئي للأشعة السينية (XPS). يستخدم XPS الأشعة السينية لطرد الإلكترونات من العينة ويقدم أدلة حول الخصائص الكيميائية والحالة الإلكترونية للذرات بالقرب من سطح العينة. افترض العلماء أن السماكة والطبيعة الكيميائية لطبقة أكسيد التنتالوم هذه لعبت دورًا في تحديد تماسك الكيوبت ، حيث أن التنتالوم يحتوي على طبقة أكسيد أرق مقارنة بالنيوبيوم المستخدم عادةً في الكيوبت.
“قمنا بقياس هذه المواد على خطوط الأشعة من أجل فهم أفضل لما كان يحدث”، أوضح أندرو والتر، عالم خط الحزمة الرئيسي في برنامج التحليل الطيفي والتشتت للأشعة السينية في NSLS-II. “كان هناك افتراض أن طبقة أكسيد التنتالوم كانت موحدة إلى حد ما، لكن قياساتنا أظهرت أنها ليست موحدة على الإطلاق. دائمًا ما يكون الأمر أكثر إثارة للاهتمام عندما تكتشف إجابة لا تتوقعها، لأن ذلك يحدث عندما تتعلم شيئًا ما “.
وجد الفريق عدة أنواع مختلفة من أكاسيد التنتالوم على سطح التنتالوم ، الأمر الذي دفع بمجموعة جديدة من الأسئلة حول الطريق لإنشاء كيوبتات فائقة التوصيل أفضل. هل يمكن تعديل هذه الواجهات لتحسين الأداء العام للجهاز، وما هي التعديلات التي ستوفر أكبر فائدة؟ ما أنواع المعالجات السطحية التي يمكن استخدامها لتقليل الخسارة؟
يجسد روح التصميم
قال Mingzhao Liu ، عالم المواد في CFN وقائد المواد في C2QA: “لقد كان ملهمًا أن نرى خبراء من خلفيات مختلفة جدًا يجتمعون معًا لحل مشكلة مشتركة”. “كان هذا جهدًا تعاونيًا للغاية، حيث تم تجميع المرافق والموارد والخبرات المشتركة بين جميع منشآتنا. من وجهة نظر علم المواد، كان من المثير إنشاء هذه العينات وأن تكون جزءًا لا يتجزأ من هذا البحث “.
قال والتر، “عمل مثل هذا يتحدث عن الطريقة التي تم بها بناء C2QA. ساهم مهندسو الكهرباء من جامعة برينستون كثيرًا في إدارة الأجهزة وتصميمها وتحليل البيانات والاختبار. نمت مجموعة المواد في CFN وعالجت العينات والمواد. ميزت مجموعتي في NSLS-II هذه المواد وخصائصها الإلكترونية “.
إن وجود هذه المجموعات المتخصصة معًا لا يجعل الدراسة تتحرك بسلاسة وكفاءة أكبر فحسب، بل إنه يمنح العلماء فهمًا لعملهم في سياق أكبر. تمكن الطلاب وباحثو ما بعد الدكتوراة من الحصول على خبرة لا تقدر بثمن في عدة مجالات مختلفة والمساهمة في هذا البحث بطرق مفيدة.
قال دي ليون: “في بعض الأحيان، عندما يعمل علماء المواد مع علماء الفيزياء، فإنهم يسلمون موادهم وينتظرون سماع الرد فيما يتعلق بالنتائج”، “لكن فريقنا كان يعمل جنبًا إلى جنب، لتطوير طرق جديدة على طول الطريق التي يمكن يتم استخدامها على نطاق واسع في خط الأشعة من الآن فصاعدًا “.
المصدر: scitechdaily
شاهد المزيد:
