6 دقیقه
چالش: کیوبیت‌های شکننده و وعده توپولوژی
کامپیوترهای کوانتومی توان خود را از کیوبیتها می‌گیرند — بیت‌های کوانتومی‌ای که میتوانند در حالتهای برهم‌نهی قرار گیرند و در فواصل دور درهم‌تنیده شوند. این پدیده‌های ویژه کوانتومی اجازه می‌دهند الگوریتم‌هایی نسبت به ابررایانه‌های کلاسیک در مسائلی مانند شبیه‌سازی مواد، رمزنگاری و بهینه‌سازی برتری داشته باشند. اما کیوبیتها فوق‌العاده حساس‌اند: تغییرات کوچک دما، میدان‌های الکترومغناطیسی مزاحم یا ارتعاشات مکانیکی به‌سرعت اطلاعات کوانتومی ظریف آنها را نابود می‌کنند. این حساسیت که دکوهرنس نامیده میشود، همچنان گلوگاه اصلی در مسیر بهکارگیری عملی محاسبات کوانتومی است.
یکی از راهکارهای امیدبخش برای غلبه بر دکوهرنس، جاسازی اطلاعات کوانتومی در درجات آزادی توپولوژیک است. حالتهای توپولوژیک توسط ساختار کلی ماده حفاظت میشوند نه جزئیات محلی، و به‌همین‌دلیل در برابر بسیاری از منابع نویز مقاوم ذاتی‌اند. این برانگیختگیهای توپولوژیک میتوانند مانند کیوبیت‌هایی ذاتاً مقاوم در برابر خطا عمل کنند، اما پیدا کردن یا مهندسی موادی که این برانگیختگی‌ها را میزبانی کنند، مدت‌هاست که چالشی در کشف مواد به‌شمار می‌آید.
رویکرد جدید: مغناطیس به‌عنوان مسیر دسترس‌پذیر برای حفاظت توپولوژیک
تیمی مشترک از دانشگاه صنعتی چالمرز، دانشگاه آلتو و دانشگاه هلسینکی پیشرفت مهمی گزارش کرده‌اند: یک ماده عجیب و مهندسی‌شده که با استفاده از تعاملات مغناطیسی از برانگیختگیهای توپولوژیک قوی پشتیبانی میکند. بهجای اتکا به جفتشدگی اسپین-مداری نادر که معمولاً برای تحقق فازهای توپولوژیک به‌کار می‌رود، این گروه از مغناطیس — تعاملی که در مواد بسیار بیشتری وجود دارد — برای پایدار کردن حالتهای کوانتومی مورد نظر بهره برده‌اند.
گوانگزه چن، پژوهشگر پست‌دکتری، فیزیک کوانتومی کاربردی، بخش میکروتکنولوژی و نانوساینس، دانشگاه صنعتی چالمرز. اعتبار تصویر: H. Yang
با طراحی یک ساختار حالت‌جامد که در آن نظم مغناطیسی و درجات آزادی الکترونی ترکیب میشوند تا برانگیختگیهای کوانتومی محافظتشده تولید کنند، محققان ظرفیتی ایجاد کردند که در آن حالتهای کوانتومی در برابر اختلالات خارجی مدت‌زمان بیشتری پایدار می‌مانند. از نظر عملی، این بدان معناست که کیوبیت‌های ساخته‌شده روی چنین موادی به عملیات تصحیحی کمتر و جداسازی محیطی کمتر سخت‌گیرانه‌ای نسبت به فناوری‌های معمول کیوبیت نیاز خواهند داشت.
از دستورهای اسپین-مداری به مواد مغناطیسی
تاریخچه نشان می‌دهد دانشمندان مواد که به دنبال کیوبیت‌های توپولوژیک بوده‌اند، به جفتشدگی اسپین-مداری — پدیده‌ای که اسپین الکترون را به حرکت مداری آن پیوند می‌دهد — به‌عنوان عنصر کلیدی که فازهای توپولوژیک را پدید میآورد وابسته بوده‌اند. جفتشدگی قوی اسپین-مداری تنها در زیرمجموعه محدودی از ترکیبات وجود دارد و فضای جست‌وجو را محدود میکند. رویکرد مبتنی بر مغناطیس از نظر مفهوم متفاوت است: تعاملات مغناطیسی در جدول تناوبی گسترده‌ترند و اجازه می‌دهند مکانیزم توپولوژیک در طبقه وسیعتری از جامدات تحقق یابد. در تمثیل تیم، مغناطیس مانند یکی از مواد رایج آشپزخانه است که دستورهای جدید بسیاری برای مواد توپولوژیک باز میکند، نه ادویه‌ای نادر.
پیشرفت‌های تجربی و محاسباتی: یک خط لوله کشف دوشاخه
در کنار ساخت ماده کوانتومی جدید، تیم تحقیقاتی ابزار محاسباتی غربالگری‌ای توسعه داد که میزان ظهور رفتار توپولوژیک ناشی از تعاملات مغناطیسی در یک ترکیب را کمّی میکند. این توانایی پیش‌بینی‌کننده حیاتی است: فضای مواد کاندید بسیار وسیع است و غربالگری هدفمند به‌طرز چشمگیری آزمون و خطای تجربی را کاهش می‌دهد.
این ابزار ساختار الکترونی، نظم مغناطیسی و وجود برانگیختگیهای محافظتشده با تقارن را ارزیابی کرده و امتیاز توپولوژیک اختصاص می‌دهد. با این سنجه، آزمایشگران میتوانند ترکیباتی را که محتمل‌تر است میزبان کیوبیت‌های توپولوژیک مقاوم باشند در اولویت قرار دهند و سنتز مواد و آزمون دستگاه‌ها را تسریع کنند.
کشف‌های کلیدی و پیامدها
• نشان دادن اینکه تعاملات مغناطیسی به‌تنهایی میتوانند برانگیختگیهای توپولوژیک مناسب برای محافظت از کیوبیتها را پایدار کنند.
• توسعه یک روش محاسباتی برای شناسایی و رتبه‌بندی مواد کاندید برای سکوی‌های کوانتومی توپولوژیک.
• مسیر طراحی مواد که جست‌وجو را فراتر از شیمی‌هایی تحت‌تأثیر اسپین-مدار گسترش می‌دهد و بالقوه مجموعه زیرلایه‌های عملی برای سختافزار کوانتومی مقیاس‌پذیر را افزایش می‌دهد.
دیدگاه کارشناسی
دکتر النا مورالس، یک دانشمند ارشد مواد (شخصیت فرضی) با دو دهه تجربه در دستگاه‌های کوانتومی، می‌گوید: «این کار یک نقطه عطف است زیرا تمرکز را از اثرات نسبیتی نادر به مکانیزم‌های مغناطیسی که از نظر تجربی دسترس‌پذیرند منتقل میکند. اگر این حالتهای توپولوژیک مغناطیسی در هندسه‌های دستگاه تکرارپذیر باشند، میتوانند به‌طور قابل‌توجهی بار مهندسی لازم برای کیوبیت‌های مقاوم در برابر خطا را کاهش دهند.»
فناوری‌های مرتبط و چشم‌انداز آینده
رویکرد مغناطیس-توپولوژی مکمل دیگر راهبردهای کاهش خطا است، از جمله تصحیح فعال خطای کوانتومی و روش‌های جداسازی سطح سختافزار. ترکیب کیوبیت‌های توپولوژیک ذاتاً محافظتشده با الکترونیک کنترل بهبودیافته و مهندسی سرمایشی میتواند زمان‌بندی دستیابی به پردازنده‌های کوانتومی مقاوم در برابر خطا را کوتاه‌تر کند. گامهای بعدی شامل یکپارچهسازی مواد جدید در دستگاه‌های نمونه اولیه کیوبیت، مشخصه‌یابی زمانهای همدلی در شرایط عملیاتی، و استفاده از ابزار محاسباتی برای غربالگری خانوادههای ترکیبات جهت ساختپذیری مقیاس‌پذیر است.
نتیجه‌گیری
محققانی از سوئد و فنلاند مسیر امیدوارکننده‌ای برای محاسبات کوانتومی مقاوم در برابر اختلال معرفی کرده‌اند، با بهره‌گیری از مغناطیس برای تحقق برانگیختگیهای توپولوژیک در یک ماده عجیب و مهندسی‌شده. همراه با یک ابزار غربالگری محاسباتی، این رویکرد جست‌وجو برای مواد کوانتومی مقاوم را فراتر از مجموعه محدود ترکیبات تحت‌تأثیر اسپین-مدار توسعه می‌دهد. نتیجه، مسیری عملی است که میتواند شکنندگی کیوبیتها را کاهش دهد، پیچیدگی تجربی را کم کند و توسعه سکوی‌های نسل بعدی کامپیوترهای کوانتومی را تسریع نماید.
منبع: scitechdaily
.avif)
نظرات