تظهر نتائج دراسة كيوبت جديد فائق التوصيل، نُشرت في مجلة Nature Communications
فائقة التوصيل كيوبتات
تعتمد النماذج الحسابية التقليدية علىالحلول الفيزيائية المطابقة لقوانين الميكانيكا الكلاسيكية. هذه هي الطريقة التي تعمل بها معظم المعالجات الحديثة ، على سبيل المثال. تستخدم الحوسبة الكمومية الظواهر التي تحدث على نطاق الذرات والجسيمات دون الذرية لتوصيل المعلومات ومعالجتها.
هناك نماذج مختلفة من الحوسبة الكمومية ،ومع ذلك ، فإن أكثرها شيوعًا تتضمن استخدام الكيوبتات والبوابات الكمومية. تذكر أن الكيوبت هو نظام له حالتان محتملتان ، يمكن أن يكونا في أحدهما أو في حالة تراكب بينهما. البوابة الكمومية هي عنصر أساسي في دائرة رقمية تؤدي عملية منطقية أولية. يصف كيف ستتغير حالة الكيوبتات ، مع مراعاة القيم الأولية ، بعد تطبيق قانون معين عليها.
نظرًا لأن التأثيرات الكمية تظهر فقط فيفي المقاييس الصغيرة جدًا ، يعد إنشاء الكيوبت والبوابات مهمة صعبة للغاية. من بين الأساليب العديدة لبناء أجهزة كمبيوتر كمومية مفيدة ، اكتسبت الكيوبتات فائقة التوصيل الأكثر شهرة. لإنشائها ، يستخدم المهندسون درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق ، حيث تبدأ التأثيرات الكمية في الظهور على المستوى الكلي. على سبيل المثال ، يتم استخدام هذه التقنية بواسطة معالجات IBM الكمومية التي تم تقديمها مؤخرًا والتي تحتوي على رقم قياسي يبلغ 433 كيوبت.
زوجان كوبر وترانسون
في الموصل الفائق ، يتم شحن ناقلات الغالبيةهم أزواج كوبر. هذه حالة مرتبطة بإلكترونين يتفاعلان من خلال فونون. لها دوران صفري وشحنة تساوي ضعف شحنة الإلكترون. هذه الجسيمات ، التي تعمل ككل ، تستخدم في الحوسبة الكمومية.
أبسط شحنة كيوبت، أو كتلةأزواج كوبر هي عنصر تحدد حالته وجود أو عدم وجود أزواج كوبر الزائدة في الجزيرة. يتكون هذا المكون من جزيرة صغيرة فائقة التوصيل متصلة بواسطة تقاطع جوزيفسون بخزان فائق التوصيل. في هذا التقاطع، يتم قمع التيار الحرج، ويتدفق تيار النفق عبر طبقة عازلة رقيقة أو غير فائقة التوصيل بين الموصلين الفائقين.
تعتمد حالة الكيوبت على الرقمأزواج كوبر التي حفروا نفقًا عبر الاتصال. يُستخدم تأثير النفق لتصميم مذبذبات كمومية متناقضة تعمل بمثابة كيوبتات.
رسم تخطيطي لدائرة شحن كيوبت. تتكون الجزيرة من قطب كهربائي فائق التوصيل بين مكثف البوابة وسعة التوصيل. الصورة: ETH
يتم تصنيع البتات الكمومية باستخدامتقنيات مشابهة لتلك المستخدمة في الإلكترونيات الدقيقة. تُبنى الأجهزة عادةً على رقائق السيليكون أو الياقوت باستخدام الطباعة الحجرية ذات شعاع الإلكترون وتبخير الأغشية المعدنية الرقيقة.
في هذه الحالة ، تتشكل تقاطعات جوزيفسون معباستخدام تبخر الظل. هذه عملية يتبخر فيها المعدن الأصلي بالتناوب على زاويتين من خلال قناع محدد بالطباعة الحجرية في مقاومة شعاع الإلكترون. ينتج عن هذا تكوين طبقتين متداخلتين من معدن فائق التوصيل ، تترسب بينهما طبقة رقيقة من العازل.
على الرغم من أنه من السهل جدًا صنع مثل هذه الكيوبتاتباستخدام التكنولوجيا الناضجة المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية، تشمل عيوبها فك الترابط السريع (انهيار التشابك) تحت تأثير الضوضاء الخارجية. لكي تتمكن أجهزة الكمبيوتر الكمومية من إجراء حسابات مفيدة، يجب أن تكون المعلومات التي تحتوي عليها دقيقة بنسبة 100%. تؤثر ضوضاء الشحن الناتجة عن عيوب البيئة المادية التي توجد فيها البتات الكمومية سلبًا على دقة المعلومات.
جهاز IBM يتكون من أربعة أجهزة إرسال. الصورة: جاي إم جامبيتا وآخرون ، المعلومات الكمومية
لزيادة "عمر" مثل هذه الكيوبتات ، فيفي عام 2007 ، أنهى باحثون من جامعة ييل النظام وأنشأوا جهاز الإرسال. هذه كتلة من أزواج كوبر ، حيث يتم تحويل تقاطعات جوزيفسون بشكل إضافي باستخدام مكثف سعوي كبير. أدى الانخفاض في الحساسية للضوضاء السعوية إلى زيادة وقت التماسك من 1-2 نانوثانية لكتلة من أزواج كوبر إلى ما يقرب من 100 نانوثانية للإرسال.
Unimon هو كيوبت فائق التوصيل جديد
توضيح فني لـ unimon في معالج كمي. الصورة: الكسندر كاكينين ، جامعة آلتو
على الرغم من التقدم الكبير في التنميةلا توفر الحوسبة الكمومية وتصميمات الكيوبت والأساليب المستخدمة حاليًا أداءً عاليًا بما يكفي للاستخدام العملي على نطاق واسع. يقتصر تعقيد الحسابات المنفذة بشكل أساسي على الأخطاء في العناصر الكمومية التي تحتوي على واحد أو اثنين من البتات الكمومية.
لحل هذه المشكلة الباحثينطور نوع جديد من كيوبت فائق التوصيل. فهي تجمع بين زيادة عدم التوافق (انحراف طاقة النظام عن "التقلبات" التوافقية) ، وعدم الحساسية الكاملة لضوضاء التيار المستمر ، وانخفاض الحساسية للضوضاء المغناطيسية ، والبنية البسيطة.
الجهاز يتكون من جوزيفسون واحدتقاطع محوّل بواسطة محث خطي ، ومكثف يعمل في وضع يتم فيه تعويض الطاقة الحثية بشكل أساسي بواسطة طاقة جوزيفسون. لاحظ الباحثون أن هذه الخاصية تؤدي إلى مستوى عالٍ من عدم التوافق مع مناعة كاملة لضوضاء الشحن منخفضة التردد وحماية جزئية من ضوضاء التدفق.
من أجل مظاهرة تجريبية من unimon ، العلماءرقائق مصممة ومصنعة ، تتكون كل منها من ثلاث وحدات كيوبت أحادية. استخدموا النيوبيوم كمادة فائقة التوصيل ، باستثناء ملامسات جوزيفسون ، حيث كانت الأسلاك فائقة التوصيل مصنوعة من الألومنيوم.
اليسار:صورة مجهرية ذات ألوان زائفة لشريحة سيليكون تحتوي على ثلاثة أحاديات (زرقاء) جنبًا إلى جنب مع تجاويف القراءة (أحمر) وخطوط محرك (أخضر) وخط اتصال مسبار (أصفر). على اليمين: إعداد تجريبي مبسط يستخدم لقياس الأفاعي. الصورة: إريك هيبا وآخرون ، اتصالات الطبيعة
مع أجهزتهم ، حقق العلماءالدقة من 99.8٪ إلى 99.9٪ لبوابات 13 نانوثانية أحادية النواة على ثلاثة كيوبتات أحادية مختلفة. لاحظ الباحثون أنه نظرًا لارتفاع التنافر أو اللاخطية مقارنةً بالنقل ، يمكن العمل على unimons بشكل أسرع ، مما يؤدي إلى عدد أقل من الأخطاء في كل عملية.
Unimons بسيطة للغاية ولكن لها العديد من المزايا.أمام أجهزة الإرسال. حقيقة أن أول unimon تم إنشاؤه على الإطلاق نجح بشكل جيد يفتح مجالًا كبيرًا للتحسين وتحقيق اختراقات كبيرة.
ميكو ميتونين ، أستاذ تكنولوجيا الكم في جامعة آلتو
سيواصل الباحثون العمل على التحسينات فيالتصميم والمواد وأوقات بوابة unimon تتجاوز هدف دقة 99.99٪ لخلق ميزة كمية مفيدة وتصحيح خطأ فعال في الأجهزة العملية بناءً على عدد كبير من الكيوبتات.
قراءة المزيد:
تم دحض النظرية الرئيسية لأصل الإنسان: من أين أتينا
نشر نتائج أول تجربة لعقار السرطان
8 مليارات شخص يعيشون الآن على الأرض: هل الاكتظاظ السكاني يهدد الكوكب؟