← أحدث الأبحاث
🔬 mesoscale physics

Towards a micromechanical qubit based on quantized oscillations in superfluid helium

تقترح الورقة البحثية تصميماً مبتكراً لبت كمي ميكانيكي دقيق يستغل التذبذبات المكممة في الهيليوم فائق السيولة، والذي يسخر نفق جوزيفسون المتعادل شحنياً لتحقيق مستويات طاقة منفصلة وأزمنة تماسك بمقياس الميلي ثانية عند درجات حرارة الميلي كلفن.

المؤلفون الأصليون: Priya Sharma, Jens Koch, Eran Ginossar

نُشر 2026-08-18
📖 4 دقيقة قراءة☕ قراءة في استراحة قهوة
CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: Priya Sharma, Jens Koch, Eran Ginossar

البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل

في السعي لبناء آلات يمكنها حل مشكلات تتجاوز قدرات الحواسيب العادية، يبحث العلماء باستمرار عن طرق جديدة لتخزين المعلومات ومعالجتها. وتعتمد أكثر المحاولات نجاحاً حتى الآن على الدوائر فائقة التوصيل، وهي مواد تنقل الكهرباء دون أي مقاومة. تعمل هذه الدوائر كمفاتيح صغيرة يمكن أن توجد في حالتين في آن واحد، وهي خاصية تُعرف باسم "التراكب"، والتي تشكل أساس البت الكمومي، أو "الكيوبت". ومع ذلك، فإن هذه الأنظمة الإلكترونية حساسة للضوضاء الكهربائية وتتطلب حماية معقدة. ويقترح مقترح جديد النظر في نوع مختلف من السوائل لتحقيق نفس الهدف. يتجه هذا النهج نحو الهيليوم فائق السيولة، وهو حالة من المادة تتدفق دون احتكاك وليس لها شحنة كهربائية. ومن خلال التعامل مع هذا السائل عديم الاحتكاك ليس كمادة يتم ضخها، بل كنظام ميكانيكي يمكنه الاهتزاز في خطوات محددة ومكممة، رسم الباحثون مساراً نحو نوع جديد من مكونات الحاسوب الكمومي يكون محصناً ضد التداخل الكهربائي الذي يعيب التصميمات الحالية.

اقترح الباحثون، الذين يعملون من مؤسسات في المملكة المتحدة والولايات المتحدة، جهازاً محدداً يسمونه "مذبذب الهيليوم فائق السيولة الكمومي" (SHOQ). يتكون قلب هذا الجهاز من خلية أسطوانية صغيرة مملوءة بالهيليوم-3 فائق السيولة، وهو نظير نادر للهيليوم يصبح فائق السيولة عند درجات حرارة أعلى قليًا من الصفر المطلق. لا يتم إغلاق أحد طرفي هذه الخلية بجدار صلب، بل بلوح مرن ومرن، يشبه وجه الطبل. داخل الخلية، يربط فتح صغير السائل بخزان أكبر من السائل نفسه. يعمل هذا الفتح كـ "رابط ضعيف"، وهو ممر ضيق يتغير فيه سلوك السائل بطريقة تسمح له بالعبور عبر النفق، تماماً مثل الجسيمات التي تمر عبر حاجز لا ينبغي لها تجاوزه. عندما يتدفق السائل عبر هذا الرابط الضعيف، فإنه يخلق فرقاً في الضغط يدفع اللوح المرن، مما يسبب حركته. ومع تحرك اللوح، يتغير الضغط، مما يؤدي بدوره إلى تغيير التدفق عبر الرابط. وهذا يخلق تذبذباً مستمراً وذاتي الاستدامة حيث يتأرجح السائل ذهاباً وإياباً ويهتز اللوح صعوداً وهبوطاً.

إن الاختراق في هذا العمل هو الإدراك بأن هذه الاهتزازات ليست مستمرة وسلسة مثل موجة على بركة، بل هي بدلاً من ذلك مكونة من خطوات منفصلة ومتميزة. تماماً كما لا يمكن لوتر الغيتار أن يهتز إلا عند نغمات محددة، لا يمكن للهيليوم فائق السيولة في هذا الجهاز أن يتذبذب إلا عند مستويات طاقة محددة. وقد حسب الباحثون أنه عند درجات الحرارة شديدة البرودة المطلوبة لإبقاء الهيليوم في حالته فائقة السيولة، تكون هذه الخطوات الطاقية كبيرة بما يكفي لتمييزها بوضوح عن بعضها البعض. هذا التمايز أمر بالغ الأهمية لأنه يسمح للجهاز بالعمل ككيوبت، حيث تمثل أدنى حالة طاقة الرقم صفر ويمثل مستوى الطاقة التالي الرقم واحد. وقد أظهر الفريق أنه من خلال هندسة حجم الرابط الضعيف وصلابة اللوح المرن بعناقة، يمكنهم إنشاء نظام تكون فيه مستويات الطاقة هذه متباعدة بما يكفي للتحكم بها، وقريبة بما يكفي للتلاعب بها بواسطة إشارات خارجية.

تتمثل الميزة الكبيرة لهذا التصميم في حياديته. فخلافاً للدوائر الإلكترونية المستخدمة في الحواسيب الكمومية الحالية، والتي تعتمد على حركة الجسيمات المشحونة، يستخدم هذا الجهاز سائلاً متعادلاً. وهذا يعني أنه محمي طبيعياً من الضوضاء الكهربائية والتقلبات المغناطيسية التي غالباً ما تسبب أخطاء في الأنظمة الموجودة. وجد الباحثون أن المصدر الرئيسي لفقدان الطاقة في جهازهم المقترح يأتي من تأثير كمومي محدد يتضمن نفق جسيم واحد عبر الرابط الضعيف. وحتى مع هذا الفقد، تشير حساباتهم إلى أن الجهاز يمكنه الحفاظ على حالته الكمومية لعدة ميلي ثانية، وهي مدة كافية للقيام بحسابات معقدة. ولجعل الجهاز مفيداً، اقترحوا توصيله بدائرة فائقة التوصيل قياسية، ليعمل كجسر يسمح بقراءة النظام السائلي المتعادل والتحكم فيه بواسطة المعدات الإلكترونية التقليدية.

تقدم الدراسة مخططاً تفصيلياً لبناء هذه الأجهزة، حيث تقدم عدة تصميمات مختلفة بأحجام متنوعة للرابط الضعيف واللوح المهتز. وقد حسبوا أنه بالنسبة للوح بنصف قطر يبلغ حوالي خمسة ميكرومترات ورابط ضعيف بعرض عشرة نانومتر تقريباً، سيتذبذب النظام بتردد يبلغ حوالي أربعة عشر مليون دورة في الثانية. وعند درجة حرارة 0.3 مللي كلفن، سيكون الجهاز مستقراً بما يكفي للعمل ككيوبت. كما استكشف الباحثون كيفية إدخال اللاخطية اللازمة لجعل الجهاز يتصرف ككيوبت حقيقي بدلاً من مجرد مذبذب بسيط، ووجدوا أنه من خلال ضبط الأبعاد الفيزيائية للمكونات، يمكنهم خلق الظروف المناسبة للتحكم الكمومي. وبينما لا تدعي الورقة بناء الجهاز بعد، إلا أنها تثبت أن الفيزياء المطلوبة لجعله يعمل هي سليمة وأن الظروف اللازمة تقع ضمن نطاق التكنولوجيا التجريبية الحالية. يفتح هذا العمل باباً جديداً للهندسة الكمومية، مشيراً إلى أن العالم النقي وعديم الاحتكاك للسوائل فائقة السيولة يمكن أن يحتضن الجيل القادم من معالجات المعلومات الكمومية.

غارق في أبحاث مجالك؟

تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.

جرّب Digest →

أبحاث مشابهة

عرض الكل في هذا التصنيف 🔬 cond-mat.mes-hall →