کیوبیت ابر رسانا بدون میدان مغناطیسی در پیشرفت کوانتومی
محققان ژاپنی نخستین کیوبیت شار ابررسانا را که در میدان مغناطیسی صفر عمل می‌کند، توسعه داده‌اند.
کیوبیت‌های شار ابررسانای سنتی به میدان‌های مغناطیسی خارجی از کویل‌های بزرگ یا خطوط شار نیاز دارند. کیوبیت جدید، با استفاده از پیوند جوزفسون فرومغناطیسی (پی-جوزفسون)، بدون میدان مغناطیسی کار می‌کند.
تیمی به رهبری محققان از موسسه ملی فناوری اطلاعات و ارتباطات (NICT) ژاپن و دانشگاه توهوکو مدعی است که کیوبیت پی-جوزفسون جدید طولانی‌ترین عمر را در میان کیوبیت‌های مشابه خود دارد و بهبودهای آینده می‌تواند آن را کلیدی برای کامپیوترهای کوانتومی با عملکرد بالا سازد.
تیم پژوهشی در مطالعه منتشر شده در
چکیده
خود اظهار داشت: «نتایج ما راه برای توسعه دستگاه‌های کوانتومی همدوس، از جمله کیوبیت‌ها و حسگرها، که از تعامل بین فرومغناطیسم و ابررسانایی بهره می‌برند، هموار می‌سازد.»
کیوبیت بدون نیاز به میدان مغناطیسی
پیش‌بینی می‌شود که کامپیوترهای کوانتومی نقشی کلیدی در فناوری‌های آینده ایفا کرده و به زمینه‌هایی مانند علم مواد، داروسازی و امنیت اطلاعات بهره‌وری داشته باشند. کیوبیت‌های ابررسانا به دلیل کنترل آسان‌تر حالت‌های کوانتومی برجسته هستند. بخشی حیاتی از این کیوبیت‌ها پیوند جوزفسون است که به کنترل عملیات کیوبیت کمک می‌کند.
به دلیل آنهاثارهای کم، کیوبیت‌های ترانسمون، که به صورت رایج در کامپیوترهای کوانتومی مدرن دیده می‌شوند، می‌توانند مشکلاتی مانند تراکم فرکانسی را هنگام اضافه شدن تعداد زیادی کیوبیت ایجاد کنند.
کیوبیت‌های شار که از سه پیوند جوزفسون استفاده می‌کنند و انحنای بیشتری دارند می‌توانند این مشکل را کاهش دهند. با این حال، مقیاس‌پذیری کیوبیت‌های شار سخت است زیرا آنها به کویل‌های خارجی برای تامین جریان مغناطیسی نیاز دارند که می‌تواند مشکلاتی مانند نویز و نیاز به خطوط کنترل اضافی را ایجاد کند.
برای حل این مشکل، محققان دانشگاه توهوکو از پیوند جوزفسون فرومغناطیسی برای ایجاد پی-جوزفسون استفاده کردند. بدون نیاز به نیروهای مغناطیسی خارجی، این پی-جوزفسون یک تغییر فاز 180 درجه ایجاد می‌کند و اجازه می‌دهد تا کیوبیت به بهترین شکل ممکن به تنهایی کار کند.
تیم اعلام کرد که این نوآوری نویز را کاهش می‌دهد، مدار را ساده می‌سازد و ادغام کیوبیت را آسان‌تر می‌کند.
به گفته تیم، این نوآوری موجب کاهش نویز، ساده‌سازی مدار و تسهیل ادغام بزرگ مقیاس می‌شود.
ثبات بیشتر در کیوبیت‌ها
در این مطالعه، محققان فناوری کیوبیت ابررسانای نیترید NICT، مبتنی بر نیترید نیوبیوم (NbN) که روی
سیلیکون
رشد کرده، را با دستگاه‌های جوزفسون فرومغناطیسی ترکیب کردند تا یک کیوبیت شار با پیوند پی-جوزفسون ایجاد کنند.
تیم مدعی است که کیوبیت بهینه عمل می‌کند بدون نیاز به میدان مغناطیسی خارجی و ویژگی‌های همدوسی آن به طور موفقیت‌آمیزی نشان داده شده است. برخلاف مطالعات پیشین که موفق به دستیابی به عملیات همدوس کوانتومی با کیوبیت شار نشدند، این کیوبیت جدید پیشرفت چشمگیری را نشان داد.
دانشمندان در آزمایش‌های قبلی از CuNi استفاده می‌کردند، اما اکنون از مواد پایدارتری مانند PdNi برای ایجاد پیوند پی استفاده کرده‌اند. دستگاهی که نقطه‌کار بهینه را در صفر میدان‌های مغناطیسی تایید کرد، برای اندازه‌گیری کیوبیت استفاده شد که با استفاده از روش‌های طراحی پیشرفته ساخته شده بود. زمان همدوسی آن 1.45 میکروثانیه بود که 360 برابر بهتر از کیوبیت‌های فاز قبلی بود.
به گفته محققان، اگرچه هنوز زمان همدوسی کوتاه‌تر از کیوبیت‌های شار سنتی بدون پیوند پی است، این پیشرفت گامی کلیدی به سمت ساده‌سازی و ادغام مدارهای کوانتومی است. با حذف نیاز به میدان‌های مغناطیسی خارجی، این پیشرفت می‌تواند به فناوری‌های کوانتومی با صرفه‌تر و انرژی‌بیشتر منجر شود.
به امید یکپارچه‌سازی بزرگ‌مقیاس، تیم اکنون قصد دارد با بهینه‌سازی توپولوژی مدار و روش ساخت، دستگاه را یکنواخت کند و زمان همدوسی را طولانی‌تر کند. هدف آنها ایجاد یک پلتفرم سخت‌افزاری کوانتومی جدید است که عملکردی بهتر از کیوبیت‌های سنتی آلومینیومی داشته باشد.
پژوهشگران امیدوارند با بهبود مواد و ساختار پیوند فرومغناطیسی، کیوبیت شار پی-جوزفسون با زمان همدوسی طولانی‌تر را که در میدان‌های مغناطیسی صفر کار کند، توسعه دهند. این کیوبیت می‌تواند بخشی حیاتی از فناوری‌های کوانتومی آینده باشد، مانند تراشه‌های کامپیوترهای کوانتومی.
جزئیات تحقیقات تیم در مجله مواد ارتباطی منتشر شده است.
