Coherent oscillations in weakly anharmonic NbSe2 qubit

تعتمد الرحلة لبناء آلات تفكر وتحسب بطرق مستحيلة على الحواسيب الحالية على وحدة معلومات صغيرة وهشة تسمى "الكيوبت" (qubit). وخلافًا للبتات (bits) في الحاسوب القياسي التي تكون إما صفرًا أو واحدًا، يمكن للكيوبت أن يوجد في حالة دقيقة من كليهما معًا، ولكن فقط إذا تم الحفاظ عليه معزولاً تمامًا عن العالم الصاخب والفوضوي من حوله. ولتحقيق ذلك، غالبًا ما يستخدم العلماء دوائر فائقة التوصيل، وهي حلقات كهربائية تحمل التيار دون أي مقاومة، ولكن فقط عند تبريدها إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق. ويعد قلب هذه الدوائر عبارة عن وصلة خاصة تعمل كحارس بوابة، مما يسمح للكيوبت بالتصرف مثل مذبذب كمي. لسنوات، بنى الباحثون هذه الوصلات باستخدام الألومنيوم، وهو مادة ذات عملية تصنيع مفهومة جيدًا. ومع ذلك، للألومنيوم حدود؛ فهو عرضة للعيوب المجهرية ويعاني في العمل في المجالات المغناطيسية القوية، مما يمنع العلماء من استخدام هذه الأدوات الكمية القوية لأنواع معينة من أعمال التحري الكوني، مثل البحث عن الجسيمات غير المرئية التي قد تشكل المادة المظلمة.

وللتغلب على هذه العوائق، توجه فريق من الباحثين إلى فئة مختلفة من المواد تُعرف باسم "مواد فان دير فالس الصلبة" (van der Waals solids). تخيل هذه المواد كأكوام من الصفائح فائقة الرقة، مثل مجموعة من أوراق اللعب، حيث يمكن تقشير الطبقات وفصلها وتكديسها بطرق جديدة بدقة ذرية. توفر هذه المواد بنية داخلية أنظف وأكثر مثالية من الألومنيوم، مما قد يحمي الكيوبت من العيوب التي تسبب فقدانه لحالته الكمية. وبينما نجح العلماء بالفعل في صنع كيوبتات باستخدام الجرافين، وهو طبقة واحدة من الكربون، إلا أنهم لم ينجحوا بعد في إنشاء كيوبت عامل من مرشحات أخرى واعدة في هذه العائلة. وفي دراسة جديدة، نجح الباحثون في بناء واختبار كيوبت باستخدام "ثنائي سيلينيد النيوبيوم" (niobium diselenide)، وهي مادة ليست فائقة التوصيل فحسب، بل إنها مقاومة للمجالات المغناطيسية بشكل ملحوظ. ويمثل هذا الإنجاز المرة الأولى التي يُصنع فيها كيوبت من هذه المادة تحديدًا، مما يفتح الباب أمام أجهزة كمية أكثر متانة يمكنها العمل في بيئات قد يفشل فيها الألومنيوم.

قام الباحثون ببناء جهازهم عن طريق أخذ رقائق صغيرة جدًا من ثنائي سيلينيد النيوبيوم، سمك كل منها حوالي عشرة إلى خمسة عشر نانومترًا فقط، ودمجهما بعناية لإنشاء وصلة حيث تلتقي الطبقتان. ووضعوا هذه الوصلة الدقيقة داخل صندوق ألومنيوم مجوف، يعمل كمذبذب (resonator) للمساعدة في التحكم في حالة الكيوبت وقراءتها. ولضمان عمل الوصلة بشكل صحيح، قاموا بتوصيلها بقطع ألومنيوم كبيرة وأحاطوا النظام بأكمله بمرشحات لمنع الحرارة والاشعاع الشاردين. جرت التجربة في مختبر متخصص حيث تم تبريد درجة الحرارة إلى حوالي عشرين ميلي كلفن، وهو جزء من الدرجة فوق الصفر المطلق، لضمان بقاء المادة في حالة التوصيل الفائق. ومن خلال إرسال نبضات ميكروويف إلى الصندوق، استطاع الفريق فحص سلوك الوصلة ومعرفة ما إذا كانت تعمل كمذبذب كمي.

ما وجدوه هو جهاز يتصرف تمامًا كما ينبغي لمذبذب ضعيف التباين (weakly anharmonic oscillator)، مما يعني أنه يمكنه الاحتفاظ بالمعلومات الكمية مع مقاومة الضجيج الذي يدمرها عادةً. وعندما زاد الباحثون من قوة الإشارات المرسلة إلى الجهاز، انزاح رنين التجويف بطريقة تشير إلى أن المادة تتصرف كمذبذب "تليّن" (softening oscillator)، وهو نوع محدد من السلوك غير الخطي. ومن المثير للاهتمام أن الجهاز ظل مستقرًا حتى عندما أدخل الباحثون قدرًا كبيرًا من الضجيج الحراري، ما يعادل خمسة إلى عشرة فوتونات إضافية من طاقة الحرارة داخل التجويف. هذا المستوى من المتانة يتفوق بمراحل على ما شوهد في الكيوبتات الأخرى المصنوعة من مواد مشابهة ذات طبقات. علاوة على ذلك، أظهر الفريق أنه من خلال ضبط قدرة إشارة الإدخال، يمكنهم تغيير سلوك المذبذب من "التليّن" إلى "التصلب" (hardening)، مما يغير فعليًا إشارة عدم خطيته. تشير هذه القدرة على ضبط الخصائص الأساسية للجهاز إلى درجة عالية من التحكم في النظام الكمي.

الاختبار الأكثر حسمًا لأي كيوبت هو المدة التي يمكنه خلالها الاحتفاظ بحالته الكمية قبل فقدان التماسك، وهي خاصية تُقاس بقيمة تسمى "زمن الاسترخاء" (relaxation time). في هذه التجربة، حافظ كيوبت ثنائي سيلينيد النيوبيوم على حالته لمدة 6.5 ميكروثانية، وهي مدة تبلغ حوالي مائة ضعف أفضل النتائج التي تحققت سابقًا مع الكيوبتات القائمة على الجرافين. ومن المرجح أن هذا العمر الممتد يعود إلى الجودة البلورية العالية لثنائي سيلينيد النيوبيوم، والتي تقلل من العيوب الداخلية التي تعطل الحالات الكمية عادةً، بالإضافة إلى قدرة المادة على تحمل تيارات أعلى. كما لاحظ الفريق تذبذبات إيقاعية واضحة في حالة الكيوبت، تُعرف باسم "تذبذبات رابي" (Rabi oscillations)، والتي أكدت أن الجهاز يمكن التحكم فيه بدقة. وبينما لم يتمكنوا من قياس زمن فقدان التماسك الكامل بسبب طول النبضات المطلوبة للتحكم، فإن زمن الاسترخاء وحده يمثل قفزة هائلة للأمام لهذه الفئة من المواد.

يعمل هذا العمل كدليل قوي على إمكانية دمج مواد فان دير فالس بنجاح في التقنيات الكمية، مما يوفر مسارًا نحو أجهزة أكثر متانة وتعددًا في الاستخدامات من الأنظمة الحالية القائمة على الألومنيوم. إن قدرة ثنائي سيلينيد النيوبيوم على العمل في مجالات مغناطيسية قوية مهمة بشكل خاص، حيث تشير إلى أن هذه الكيوبتات يمكن استخدامها في النهاية في تجارب للكشف عن المادة المظلمة، وهي مهمة تتطلب وضع مستشعرات كمية مباشرة داخل مغناطيسات قوية حيث ستتوقف كيوبتات الألومنيوم التقليدية عن العمل. وبينما يحتوي الجهاز الحالي على قدر ضئيل من عدم الخطية، مما يحد من سهولة استخدامه في أنواع معينة من الحسابات، يشير الباحثون إلى أن هذا المعامل يمكن ضبطه بدقة في التصاميم المستقبلية من خلال تعديل حجم الوصلة أو استخدام تقنيات تصنيع أكثر دقة. ومن خلال إثبات إمكانية بناء كيوبت من هذه المادة وقدرته على الأداء بتماسك عالٍ، توفر الدراسة أساسًا متينًا للجيل القادم من المستشعرات والحواسيب الكمية، مما يسد الفجوة بين المواد الغريبة والتطبيقات الكمية العملية.