تیمی به رهبری پروفسور آندریا مورلو[1] در UNSW (University of New South Wales) سیدنی به تازگی عملکرد نوع جدیدی از بیت کوانتومی به نام کیوبیت “فلیپ فلاپ” را نشان داده اند که ویژگی‌های کوانتومی عالی تک اتم‌ها را با قابلیت کنترل آسان با استفاده از سیگنال‌های الکتریکی همانطور که در تراشه‌های کامپیوتری معمولی استفاده می شود، ترکیب می‌کند.

یک هدف مشخص: کنترل الکتریکی یک بیت کوانتومی تک اتمی

پروفسور مورلو می‌گوید: «گاهی اوقات کیوبیت‌های جدید یا حالت‌های جدید عملیات، به‌طور تصادفی کشف می‌شوند. اما این یکی کاملاً بر اساس طراحی بود. گروه ما برای یک دهه کیوبیت های عالی داشته است، اما ما چیزی می خواستیم که بتوان آن را به صورت الکتریکی کنترل کرد تا حداکثر سهولت کار را انجام دهد. بنابراین ما مجبور شدیم چیزی کاملا جدید اختراع کنیم.»

گروه پروفسور مورلو اولین گروهی در جهان بود که نشان داد با استفاده از اسپین یک الکترون و همچنین اسپین هسته ای یک اتم فسفر در سیلیکون می توان به عنوان “کیوبیت” – واحدهای اطلاعاتی که برای ساخت محاسبات کوانتومی استفاده می شود، استفاده کرد. بر حسب گفته‌های او، در حالی که هر دو کیوبیت به تنهایی عملکرد فوق العاده ای دارند، اما برای عملکرد خود به میدان های مغناطیسی نوسانی نیاز دارند.

«تولید میدان‌های مغناطیسی جایگزیده در مقیاس نانومتری، که اندازه معمولی اجزای کامپیوتر کوانتومی منفرد است، دشوار است. به همین دلیل است که اولین پیشنهاد برای یک بیت کوانتومی سیلیکونی این بود که همه کیوبیت ها در یک میدان مغناطیسی نوسانی یکنواخت که در کل تراشه اعمال می‌شود، غوطه‌ور شوند و سپس از میدان های الکتریکی جایگزیده برای انتخاب کیوبیت استفاده شود.»

چند سال پیش، تیم پروفسور مورلو متوجه شد تعریف کیوبیت به عنوان جهت‌گیری ترکیبی بالا به پایین/پایین به بالا الکترون و هسته اتم، کنترل چنین کیوبیتی را با استفاده از میدان های الکتریکی به تنهایی امکان پذیر می‌کند. نتیجه امروز نشان دادن تجربی آن ایده رویایی است.

دکتر روستیسلاو ساویتسکی[2]، یکی از نویسندگان تجربی اصلی مقاله، منتشر شده در Science Advances می‌گوید: «این کیوبیت جدید «فلیپ فلاپ» نامیده می‌شود، زیرا از دو اسپین متعلق به یک اتم – الکترون و اسپین هسته‌ای – ساخته شده است، با این شرط که آنها همیشه در جهت مخالف هم هستند. برای مثال، اگر حالت 0 (الکترون-پایین/هسته-بالا) و حالت 1 (الکترون-بالا/هسته-پایین باشد، تغییر از 0 به 1 به این معنی است که الکترون به سمت بالا و هسته به سمت پایین فلاپ می‌شود.

این نظریه پیش‌بینی می‌کند که با جابه‌جایی الکترون نسبت به هسته، می‌توان حالت‌های کوانتومی دلخواه کیوبیت فلیپ فلاپ را ایجاد کرد.

دکتر تیم بوتزم، یکی دیگر از نویسندگان تجربی اصلی می گوید: « آزمایش ما این پیش بینی را با دقت کامل تایید می کند. مهمتر از همه، چنین جابجایی الکترونی به سادگی با اعمال ولتاژ به یک الکترود فلزی کوچک، به جای تابش یک میدان مغناطیسی نوسانی روی تراشه، به دست می آید. این روشی است که بسیار شبیه به نوع سیگنال الکتریکی است که معمولاً در تراشه‌های رایانه‌ای سیلیکونی معمولی اعمال می‌شود، همانطور که ما هر روز در رایانه‌ها و تلفن‌های هوشمند خود از آن استفاده می‌کنیم.»

یک استراتژی امیدوارکننده برای افزایش مقیاس پردازنده های کوانتومی بزرگ

کنترل الکتریکی کیوبیت “فلیپ فلاپ” با جابجایی الکترون از هسته با یک اثر جانبی بسیار مهم همراه است. هنگامی که یک بار منفی (الکترون) در یک فاصله از یک بار مثبت (هسته) قرار می‌گیرد، یک دوقطبی الکتریکی تشکیل می شود. قرار دادن دو (یا بیشتر) دوقطبی الکتریکی در مجاورت یکدیگر باعث ایجاد یک جفت‌شدگی الکتریکی قوی بین آنها می‌شود که می‌توان از آن برای اعمال گیت‌های چند کیوبیتی از نوع مورد نیاز برای انجام محاسبات کوانتومی استفاده کرد.

پروفسور مورلو می‌گوید: «روش استاندارد برای ایجاد جفت‌شدگی بین کیوبیت‌های اسپینی در سیلیکون، قرار دادن الکترون‌ها به قدری نزدیک به یکدیگر است که به اصطلاح همدیگر را لمس کنند. این امر مستلزم قرار گرفتن کیوبیت ها در شبکه ای به اندازه‌ای از مرتبه ۱۰ نانومتر است. چالش های مهندسی در انجام این کار بسیار سخت است. در مقابل، دوقطبی‌های الکتریکی نیازی به لمس یکدیگر ندارند – آنها از فاصله دور بر یکدیگر تأثیر می‌گذارند. تئوری ما نشان می دهد که ۲۰۰ نانومتر فاصله بهینه برای انجام عملیات کوانتومی سریع و با فیدلیتی بالا است. این می‌تواند قواعد بازی در پیشرفت کامپوترهای کوانتومی را تغییر دهد، زیرا ۲۰۰ نانومتر به اندازه کافی فاصله بزرگی است تا بتوان دستگاه های مختلف کنترل و بازخوانی را در بین کیوبیت ها قرار داده و سیم کشی و کارکرد پردازنده را آسان تر کنیم.

لینک خبر

لینک مقاله