ساخت اولین کیوبیت مکانیکی با عمر طولانی بر روی کریستال یاقوت شفاف

پژوهشگران مؤسسه فناوری فدرال سوئیس (ETH) در زوریخ، اولین کیوبیت مکانیکی کاملاً کارا را توسعه داده‌اند. این نوآوری شگفت‌آور در حوزه کوانتوم یک سیستم دو در یک است که قابلیت‌های یک نوسانگر مکانیکی و یک کیوبیت ابررسانا را با هم ترکیب می‌کند.

در مقایسه با کیوبیت‌های مجازی که با استفاده از چندین کیوبیت فیزیکی و کدهای اصلاح خطا برای حفظ اطلاعات کوانتومی ایجاد می‌شوند، کیوبیت‌های مکانیکی سیستم‌های واقعی و فیزیکی هستند که به این لایه اضافی محافظت نیاز ندارند.

این امر باعث می‌شود که استفاده از کیوبیت‌های مکانیکی ساده‌تر باشد زیرا به کدگذاری پیچیده یا همکاری چند کیوبیت نیاز ندارند تا به طور قابل اعتماد کار کنند. علاوه بر این، کیوبیت‌های مکانیکی طول عمر بیشتری نسبت به کیوبیت‌های مجازی که به سرعت ظاهر و ناپدید می‌شوند دارند.

پژوهشگران می‌گویند که طول عمر بیشتر حالت‌های کوانتومی مکانیکی باید در ایجاد صوت کوانتومی به عنوان یک پلتفرم برای فناوری‌های کوانتومی پیشرفته مفید باشد.

تیم ETH پیشنهاد می‌کند که کیوبیت مکانیکی آنها می‌تواند به دانشمندان در غلبه بر برخی از چالش‌های اصلی مرتبط با تحقق کاربردهای محاسبات و حسگری کوانتومی عملی کمک کند.

چالش کیوبیت مکانیکی

هر سیستم کوانتومی که دو حالت انرژی مستقل و قابل جداسازی داشته باشد، به عنوان یک کیوبیت شناخته می‌شود. به عنوان مثال، کیوبیت‌های مجازی می‌توانند به صورت هم‌پوشانی 0 و 1 وجود داشته باشند.

به همین ترتیب، کیوبیت ابررسانا که یک دستگاه الکترونیکی فیزیکی است نیز دارای حالت‌های انرژی پایین‌تر و بالاتر است که به ترتیب با 0 و 1 نمایندگی می‌شوند. با این حال، درحالی که توسعه یک کیوبیت مجازی و یک کیوبیت ابررسانا نسبتاً پیش‌پا افتاده است، ایجاد یک کیوبیت مکانیکی کارا سال‌ها چالش برای دانشمندان بوده است.

آدریان باکتولد، فیزیکدان در مؤسسه علوم فوتونی می‌گوید: "برای سال‌ها، مردم فکر می‌کردند که ساخت کیوبیتی از یک سیستم مکانیکی ممکن نیست".

کیوبیت‌های مجازی غیرهم‌خوان هستند، به این معنا که سطوح انرژی آن‌ها فاصله‌های نابرابر دارند، که امکان هم‌پوشانی حالت‌های کوانتومی مختلف را فراهم می‌کند. با این حال، طنین‌اندازهای مکانیکی که معمولاً برای ساخت کیوبیت‌های مکانیکی مدنظر قرار می‌گیرند، با سطوح انرژی یکنواخت همراه هستند که جداسازی دو حالت انرژی را مشکل می‌کند.

دانشمندان با این سوال مشغول بوده‌اند - "چگونه می‌توانید سطح‌های انرژی را به اندازه کافی نابرابر کنید تا دو تا از آنها را بدون دخالت در دیگران مورد نظر قرار دهید"، یی‌ون چو، یکی از پژوهشگران و فیزیکدان ETH زوریخ می‌گوید.

یک سیستم کوانتومی دو قسمتی مشکل را حل کرد

نویسندگان مطالعه یک سیستم دو قسمتی را برای حل مشکل فاصله انرژی توسعه دادند. قسمت اول، یک طنین‌انداز مکانیکی ساخته شده از نیترید آلومینیوم بود که روی کریستال یاقوت نصب شد .

وقتی یک ولتاژ نوسانی از طریق این ترتیب اعمال می‌شود، گنبد نیترید آلومینیوم منبسط و منقبض می‌شود و ارتعاشاتی تولید می‌کند که درون مواد جریان می‌یابند و بین سطوح کریستال میلیون‌ها دوره قبل از ناپدید شدن طنین پیدا می‌کنند.

دقیقاً بالای طنین‌انداز مکانیکی، پژوهشگران یک کریستال یاقوت دیگر گذاشتند که حاوی یک کیوبیت ابررسانا با یک آنتن کوچک درست بالای گنبد نیترید آلومینیوم بود.

وقتی جریان الکتریکی از طریق کیوبیت ابررسانا جریان می‌یابد، ارتعاشاتی در طنین‌انداز مکانیکی ایجاد می‌شود. این تعامل به پژوهشگران این امکان را می‌دهد که سطوح انرژی طنین‌انداز را کنترل و تنظیم کنند.

بنابراین، با ترکیب طنین‌انداز با کیوبیت این‌گونه، پژوهشگران با موفقیت فاصله‌های انرژی یکنواخت (هماهنگ) قبلی را به نابرابر (غیرهمخوان) تغییر دادند و اولین کیوبیت مکانیکی کارا را ایجاد کردند.

تیم ETH اکنون قصد دارد از دو کیوبیت مکانیکی مشابه برای اجرای برخی عملیات منطقی استفاده کند. امیدواریم که نتایج مطلوبی حاصل کنند و تلاش‌هایشان به توسعه کاربردهای محاسبات کوانتومی عملی کمک کند.

این مطالعه در مجله علم منتشر شده است.