Magnetic field-free braiding and nontrivial fusion of Majorana bound states in high-temperature planar Josephson junctions

في السعي لبناء حاسوب يمكنه حل مشكلات تتجاوز بكثير قدرات آلات اليوم، يتطلع العلماء إلى نوع جديد وغريب من الفيزياء. هذا المجال، المعروف باسم الحوسبة الكمومية الطوبولوجية، يعتمد على جسيمات تسمى "حالات مايورانا المحدودة" (Majorana bound states). هذه الجسيمات هي أشباه جسيمات غير عادية تعمل كجسيمات مضادة لنفسها، ولا توجد إلا عند حواف مواد خاصة تسمى الموصلات الفائقة الطوبولوجية. والسبب في تلهف الباحثين للعثور عليها والتحكم فيها هو أنها تمتلك خاصية فريدة: فهي مستقرة للغاية ضد الضجيج والأخطاء التي تدمر عادةً المعلومات الكمومية الحساسة. لاستخدام هذه الجسيمات في الحوسبة، يجب أن يتمكن العلماء من تحريكها وتبادل مواقعها في عملية تسمى "الجدل" (braiding). وهذا التحرك ليس مجرد خلط فيزيائي؛ بل إنه يغير الحالة الأساسية للنظام بطريقة يمكن من خلالها تخزين ومعالجة البيانات. ومع ذلك، كان إنشاء بيئة مستقرة لهذه الجسيمات عقبة رئيسية، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى أن الطرق القياسية تتطلب مجالات مغناطيسية قوية يصعب التحكم فيها وغالبًا ما تتداخل مع المواد اللازمة لاستضافة هذه الجسيمات.

اقترح فريق من الباحثين في المعهد الهندي للتكنولوجيا في رورك (IIT Roorkee) طريقة جديدة لحل هذه المشكلة، وهي طريقة تلغي الحاجة إلى المجالات المغناطيسية الخارجية تمامًا. في دراسة حديثة، أظهروا من خلال عمليات محاكاة حاسوبية مفصلة أن نوعًا معينًا من الهياكل المغناطيسية، يُعرف باسم "بلورة السكيرميون" (skyrmion crystal)، يمكن استخدامه لتوليد هذه الجسيمات المراوغة والتحكم فيها. بلورة السكيرميون هي نمط من المغزليات المغناطيسية التي تشكل نسيجًا مستقرًا ومتكررًا، يشبه إلى حد كبير دوامة مغناطيسية متجمدة. ومن خلال وضع طبقة رقيقة من مادة أشباه الموصلات، والتي تعمل كطريق سريع للإلكترونات، بين موصلات فائقة، وهذه البلورة المغناطيسية، أنشأ الباحثون إعدادًا يوفر فيه النسيج المغناطيسي نفسه الظروف اللازمة لظهور الجسيمات. يسمح هذا النهج للجسيمات بالتشكل دون الحاجة إلى مغناطيسات خارجية، مما يفتح الباب أمام تصميمات أكثر تعقيدًا وقابلية للتوسع لأجهزة الكمبيوتر الكمومية المستقبلية.

ركز الباحثون على جهاز يسمى "وصلة جوزيفسون المستوية" (planar Josephson junction)، وهو في الأساس عبارة عن "ساندوتش" من المواد حيث يقع قناة غير فائقة التوصيل بين منطقتين فائقتي التوصيل. في الإعدادات التقليدية، يتم تطبيق مجال مغناطيسي خارجي على هذه القناة لإجبار الإلكترونات على الدخول في الحالة الصحيحة لاستضافة جسيمات مايورانا. ومع ذلك، فإن هذا المجال المغناطيسي الثابت يجعل من الصعب بناء أجهزة متعددة الأطراف حيث تحتاج عدة جسيمات إلى التحرك بشكل مستقل. كان ابتكار الفريق هو استبدال ذلك المجال الخارجي بالمجال المغناطيسي الداخلي لبلورة السكيرميون. وقد أظهرت حساباتهم أن هذا الترتيب يخلق بنجاح طورًا فائق التوصيل طوبولوجيًا، مما يؤدي إلى ظهور أزواج من حالات مايورانا المحدودة عند نهايات القناة المركزية. ومن المثير للاهتمام أن هذه الجسيمات تشكلت بقوة حتى عندما كانت المنطقتان فائقتتا التوصيل متطابقتين تمامًا، ودون الحاجة إلى فرق طور محدد مطلوب عادة في التصميمات الأخرى.

ولإثبات أن هذه الجسيمات يمكن أن تكون مفيدة للحوسبة، قام الفريق بمحاكاة العمليتين الأكثر أهمية: "الاندماج" (fusion) و"الجدل" (braiding). يتضمن الاندماج تقريب جسيمين من بعضهما البعض لمعرفة كيفية تفاعلهما. في المحاكاة التي أجراها الباحثون، وضعوا حاجزًا في منتصف القناة لتقسيم النظام إلى قسمين، مما خلق زوجين منفصلين من الجسيمات. ومن خلال ضبط الجهد الكهربائي لهذا الحاجز بدقة، تمكنوا من تقريب الجسيمات من الأزواج المختلفة لتندمج معًا. وأظهرت المحاكاة أنه عندما تندمج هذه الجسيمات، يمكنها إما الاختفاء في الفراغ أو ترك إلكترون واحد غير مزدوج، وهو سلوك يميز طبيعتها "غير الآبلية" (non-Abelian). هذه الخاصية غير الآبلية هي ما يجعلها قيمة جدًا للحوسبة الكمومية، لأن هذا يعني أن الترتيب الذي يتم به تحريكها مهم، مما يسمح بعمليات منطقية معقدة.

تتضمن العملية الثانية، وهي الجدل، تبديل مواقع الجسيمات لتغيير الحالة الكمومية للنظام. صمم الباحثون نسخة على شكل حرف (T) من جهازهم لاختبار ذلك. ومن خلال استخدام بوابات كهربائية للتحكم في تدفق الإلكترونات، قاموا بمحاكاة تحريك جسيم من نهاية أحد أذرع الوصلة على شكل (T) إلى المركز، ثم تبديله مع جسيم آخر. وأكدت النماذج الحاسوبية أنه يمكن تحريك الجسيمات حول بعضها البعض مع بقائها محمية عند طاقة صفرية، ومحمية من الضوضاء المحيطة بواسطة فجوة طاقة. كما اختبروا شكلًا أكثر تعقيدًا على شكل "صليب مزدوج" لإظهار جدل ثلاثة جسيمات، مما أظهر أن تسلسلات مختلفة من عمليات التبديل تؤدي إلى نتائج مختلفة. وقد أكد هذا أن النظام يمكنه إجراء عمليات التبادل غير البديهية المطلوبة للحوسبة الكمومية الشاملة.

أحد أهم النتائج التي توصلت إليها الدراسة هو مرونة المواد المستخدمة. أظهرت عمليات المحاكاة أن وصلة "السكيرميون" تعمل مع كل من الموصلات الفائقة القياسية وتلك ذات التماثل الأكثر تعقيدًا والمعروف باسم "d-wave". وهذا تفصيل بالغ الأهمية لأن الموصلات الفائقة من نوع (d-wave) يمكن أن تعمل في درجات حرارة أعلى من العديد من المواد الغريبة الأخرى. إذا أمكن بناء هذا التصميم في المختبر، فقد يسمح ذلك بالتحكم في هذه الجسيمات الكمومية في درجات حرارة يسهل تحقيقها والحفاظ عليها، مما يجعل هذه التكنولوجيا أكثر عملية. علاوة على ذلك، وجد الباحثون أن حجم "السكيرميونات" المغناطيسية نفسها يمكن استخدامه كـ "مقبض تحكم". فمن خلال تغيير نصف قطر هذه الدوامات المغناطيسية، يمكنهم فعليًا تشغيل وجود الجسيمات أو إيقافها، مما يوفر طريقة جديدة للتحكم في الجهاز.

تناولت الدراسة أيضًا مسأية القابلية للتوسع. نظرًا لأن النظام لا يعتمد على مجال مغناطيسي خارجي واحد وثابت، فمن الممكن تصميم وصلات متعددة الأطراف حيث يمكن لأزواج عديدة من الجسيمات أن توجد وتتحرك بشكل مستقل. وهذه خطوة ضرورية لبناء حاسوب كمومي يحتوي على العديد من الكيوبتات (qubits). وأشار الباحثون إلى أنه بينما تعتمد نتائجهم حاليًا على محاكاة عددية باستخدام بارامترات واقعية لمواد مثل "أنتيمونيد الإنديوم"، فإن المبادئ التي استخدموها راسخة في الفيزياء الراسخة. وسلطوا الضوء على أن الأنسجة المغناطيسية المطلوبة لهذا الإعداد يمكن توليدها باستخدام تقنيات هندسة الواجهات المتقدمة التي يتم تطويرها بالفعل. إن القدرة على توليد هذه الجسيمات دون مغناطيسات خارجية، جنباً إلى جنب مع إمكانية التشغيل في درجات حرارة أعلى والتحكم الكهربائي الدقيق، تشير إلى أن هذه المنصة قد تكون مسارًا قابلاً للتطبيق للتحقيق التجريبي.

في النهاية، يقدم هذا العمل مخططًا لبيئة خالية من المجال المغناطيسي حيث يمكن ترويض أكثر الجسيمات صعوبة في التحكم بها في الفيزياء الكمومية. من خلال استبدال القوة الغاشمة للمغناطيسات الخارجية بالتأثير الهيكلي الدقيق لبلورة السكيرميون، أظهر الباحثون طريقة لإنشاء وتحريك ودمج حالات مايورانا المحدودة في مستوى ثنائي الأبعاد. تؤكد عمليات المحاكاة أن الظروف اللازمة للحوسبة الكمومية الطوبولوجية يمكن تلبيتها في هذا الهيكل الجديد. وبينما يظل البناء الفيزيائي لمثل هذا الجهاز تحديًا للتجريبيين، فإن الأساس النظري الذي وضعته هذه الدراسة يقدم اتجاهًا واضحًا وواعدًا. فهو يشير إلى أن الطريق نحو الحوسبة الكمومية المقاومة للأخطاء قد لا يتطلب الآلات الثقيلة والمعقدة للمغناطيسات الكبيرة، بل يتطلب التلاعب الأنيق بالأنسجة المغناطيسية عند مقياس النانو.