All-mechanical coherence protection and fast control of a spin qubit

في السعي لبناء إنترنت كمي، يبحث العلماء عن طريقة لنقل المعلومات الحساسة بين أجهزة كمبيوتر صغيرة وثابتة دون فقدانها في الطريق. هذه الحواسيب، المعروفة باسم "الكيوبتات" (qubits)، غالبًا ما تعتمد على دوران الإلكترون — وهي خاصية تعمل مثل إبرة بوصلة داخلية صغيرة — لتخزين البيانات. التحدي يكمكم في أن هذه الإبر حساسة للغاية؛ فأدنى اهتزاز أو همس مغناطيسي من البيئة المحيطة يمكن أن يبعثر المعلومات، مما يتسبب في جعل الكمبيوتر ينسى ما كان يفعله. ولحل هذه المشكلة، نظر الباحثون لفترة طويلة إلى الضوء، أو الفوتونات، لحمل الرسائل بين العقد. ومع ذلك، يشغل الضوء مساحة كبيرة ويمكن أن يتداخل مع نفسه بسهولة. وهناك بديل أكثر دمجًا وهو "الفونون" (phonon)، وهو جسيم صوت أو اهتزاز ينتقل عبر المواد الصلبة. ولأن الموجات الصوتية أصغر بكثير من الموجات الضوئية وتتفاعل بقوة مع المواد التي تنتقل عبرها، فإنها تقدم مسارًا واعدًا لبناء شبكات كثيفة وفعالة على شريحة واحدة. ولكن لاستخدام الصوت كرسول، كان على العلماء أولاً إثبات قدرتهم على حماية الكيوبت الثابت من الضوضاء مع استخدام الصوت في الوقت ذاته للتحكم فيه، وهي مهمة بدت شبه مستحيلة لأن الأساليب المستخدمة لحماية الكيوبت غالبًا ما تتعارض مع الأساليب المستخدمة للتحدث إليه.

لقد أظهر فريق من الباحثين في جامعة هارفارد وجامعة شيكاغو الآن طريقة لتحقيق هذا التوازن الدقيق باستخدام نوع معين من العيوب في بلورة الماس تسمى "فجوة السيليكون" (silicon vacancy). في تجربتهم، وضعوا شريحة ماسية واحدة داخل ثلاجة شديدة البرودة لتجميد الاهتزازات الحرارية العشوائية. وفوق هذه الشريحة الماسية، بنوا أصابع معدنية دقيقة، تُعرف باسم "المحولات البينية للأصابع" (interdigital transducers)، والتي تعمل مثل مكبرات الصوت التي تحول الإشارات الكهربائية إلى موجات ميكانيكية. وعندما أرسلوا إشارة ميكروويف محددة إلى هذه المكبرات، ولدت تدفقًا مستمرًا من الموجات الصوتية التي انتقلت عبر سطح الماس. لم تمر هذه الموجات بجانب فجوة السيليكون فحسب؛ بل هزت الشبكة البلورية بإيقاع دقيق يطابق التردد الطبيعي لدوران الإلكترون. هذا الاهتزاز المستمر خلق حالة جديدة ومستقرة للإلكترون، مما وفر حماية فعالة له من الضوضاء المغناطيسية الفوضوية في البيئة المحيطة.

وجد الباحثون أنه من خلال إبقاء هذا المجال الميكانيكي نشطًا، استطاعوا تمديد الوقت الذي يحتفظ فيه الإلكترون بمعلوماته بأكثر من ثلاثة أضعاف مقارنة بحال توقف المجال. في الحالة الهادئة غير المحمية، استمرت ذاكرة الإلكترون لمدة 680 نانو ثانية تقريبًا قبل أن تتلاشى. ومع الحماية الميكانيكية المستمرة، امتد هذا الوقت إلى أكثر من 2 ميكرو ثانية. عملت هذه الحماية لأن الاهتزاز المستمر جعل الإلكترون أقل حساسية للتقلبات المغناطيسية البطيئة والمنجرفة التي تسبب الأخطاء عادةً. والأهم من ذلك، أظهر الفريق أنه لا يزال بإمكانهم قراءة وكتابة المعلومات على هذا الإلكترون المحمي باستخدام نفس الموجات الميكانيكية. فقد استخدموا نبضة صوتية ثانية أضعف لقلب حالة الإلكترون واستخدموا الليزر لرؤية ما حدث. وقد أثبت هذا أن الإلكترون يمكن أن يكون محميًا من الضوضاء ويتم التحكم فيه بواسطة الصوت في آن واحد، وهو مزيج كان يمثل سابقًا عقبة رئيسية أمام بناء شبكات تعتمد على الفونونات.

بالإضافة إلى مجرد حماية الذاكرة، اكتشف الفريق أن طريقتهم سمحت بتحكم سريع للغاية. فقد تمكنوا من جعل دوران الإلكترون يتأرجح ذهابًا وإيابًا بمعدل 800 مليون مرة في الثانية، وهو سرعة تضع رقمًا قياسيًا جديدًا لهذا النوع من الأنظمة. هذا التبديل السريع ضروري لإجراء حسابات معقدة بسرعة قبل أن تتاح للمعلومات فرصة التدهور. حقق الباحثون هذه السرعة لأن إعدادهم حول الإشارات الكهربائية إلى إجهاد ميكانيكي بكفاءة عالية، مما سمح لهم بتوجيه الإلكترون بقوة أكبر بكثير من الطرق السابقة التي اعتمدت على المجالات المغناطيسية. كما لاحظوا أنه عند هذه السرعات القصوى، أصبح سلوك الإلكترون أكثر تعقيدًا، حيث أظهر ترددات متعددة في وقت واحد، مما يشير إلى أن النظام يدخل نظامًا جديدًا من الفيزياء حيث لا تنطبق النماذج البسيطة القياسية.

تكمن أهمية هذا العمل في قدرته على توحيد حاجتين متضاربتين سابقًا: الحاجة إلى عزل الكيوبت عن الضوضاء والحاجة إلى التفاعل معه بقوة. ومن خلال استخدام الموجات الصوتية لإنشاء درع واقٍ يعمل أيضًا كأداة للتحكم، مهد الباحثون الطريق نحو بوابات كمية عالية الدقة، وهي العمليات الأساسية المطلوبة لعمل الكمبيوتر الكمي. لقد أثبتوا أنه يمكن تهيئة المعلومات وقراءتها مباشرة باستخدام الضوء، دون الحاجة إلى خطوات إضافية معقدة لنقل الحالة. هذا التبسيط، مقترنًا بالسرعة ووقت الذاكرة الممتد، يشير إلى أن فجوات السيليكون في الماس يمكن أن تعمل كنقاط ثابتة لشبكة كمية مستقبلية يتم توجيه المعلومات فيها بواسطة الصوت. وبينما أشار الباحثون إلى أن الحرارة الناتجة عن الموجات الصوتية يجب إدارتها بعناية للحفاظ على برودة الماس، إلا أن نتائجهم تظهر أن المقايضة يمكن التحكم فيها وأن فوائد هذا النهج الميكانيكي الكامل كبيرة. ويمثل هذا العمل خطوة حاسمة نحو شبكات كمية متينة على الشريحة، يمكنها يومًا ما ربط الحواسيب الكمية معًا باستخدام اهتزازات العالم الصلب نفسه.