Controlled Parity of Cooper Pair Tunneling in a Hybrid Superconducting Qubit
يُظهر المؤلفون "كيوبت تماثل توافقي" (harmonic parity qubit) قابل للضبط عبر البوابة، يعتمد على سداسي (SQUID) هجين من أسلاك نانوية من زرنيخيد الإنديوم والألومنيوم (InAs/Al)، ينجح في كبح التوافقيات الجوزيفسونية الفردية لتحقيق نظام نفق ذي تماثل زوجي قابل للتحكم، مما يوفر لبنة بناء بسيطة للهندسة فورير (Fourier engineering) في الدوائر فائقة التوصيل.
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 عالم الحوسبة الكمومية، تعتمد أقوى الآلات على دوائر مصنوعة من مواد فائقة التوصيل، والتي تنقل الكهرباء دون أي مقاومة. وقلب هذه الدوائر هو مكون صغير يسمى "وصلة جوزيفسون"، وهي جسر يمكن للإلكترونات من خلاله النفاذ عبر حاجز. وما يجعل هذه الدوائر مميزة ليس فقط قدرتها على توصيل الكهرباء، بل قيامها بذلك بطريقة تخلق نوعاً فريداً من الاحتكاك أو "اللاخطية". تتيح هذه اللاخطية للعلماء إنشاء ذرات اصطناعية، تُعرف باسم "الكيوبتات" (qubits)، والتي يمكن أن توجد في حالات متعددة في آن واحد. لعقود من الزمن، كان التصميم القياسي لهذه الجسور بسيطاً للغاية، حيث يتصرف مثل موجة واحدة سلسة حيث تعبر الإلكترونات واحدة تلو الأخرى في أزواج. هذا السلوك المتوقع كان هو العمود الفقري لهذا المجال، مما مكن من إنشاء معالجات تُستخدم الآن لحل المشكلات المعقدة. ومع ذلك، فإن هذه البساطة تحد أيضاً من قدرات هذه الدوائر. لطالما اشتبه العلماء في أنه إذا تمكنوا من هندسة هذه الجسور للسماح للإلكترونات بالعبور في مجموعات من اثنين أو ثلاثة أو أكثر في نفس الوقت، فقد يتمكنون من إنشاء كيوبتات محمية طبيعياً من الضوضاء والأخطاء التي تعصف بالأجهزة الحالية. وكان التحدي يكمن في إيجاد طريقة للتحكم بدقة في كيفية تجمع هذه الإلكترونات، وتحويل التوازن من الأزواج الفردية إلى المجموعات الأكبر دون بناء هياكل معقدة بشكل مستحيل.
وقد أثبت فريق من الباحثين في جامعة كوبنهاغن الآن طريقة للقيام بهذا بالضبط، من خلال إنشاء نوع جديد من العناصر الدائرية التي يمكن ضبطها لتغيير كيفية نفاذ الإلكترونات. وقد أطلقوا على اختراعهم اسم "كيوبت التكافؤ التوافقي" (harmonic parity qubit). في تجربتهم، بنوا جهازاً يجمع بين نوعين مختلفين من الجسور في حلقة واحدة. ففي أحد جانبي الحلقة، وضعوا وصلتين من أكسيد الألمنيوم القياسيتين، واللتين تعملان كعمود فقري ثابت وغير متغير. وفي الجانب الآخر، وضعوا وصلة مصنوعة من سلك نانوي شبه موصل صغير مطلي بالألمنيوم. وتتميز وصلة السلك النانوي هذه بإمكانية تعديل خصائصها عن طريق تطبيق جهد كهربائي على بوابة قريبة، تماماً مثل تدوير مقبض لتغيير تدفق حركة المرور. ومن خلال موازنة هذين الجانبين بعناية وتطبيق مجال مغناطيسي محدد، تمكن الباحثون من جعل الإلكترونات تنفذ في "أزواج من الأزواج"، مما أدى فعلياً إلى إلغاء عملية نفاذ الزوج المنفرد المعتادة.
اختبر الباحثون جهازهم عن طريق قياس استجابته لإشارات الميكروويف أثناء تعديل الجهد عبر نطاق واسع من الإعدادات. ووجدوا أنه بمجرد تدوير "مقبض الجهد"، يمكنهم تحويل الجهاز من التصرف كبت كمومي قياسي إلى التصرف كنظام مختلف تماماً. ففي أحد الأطراف، تصرف الجهاز بشكل طبيعي، حيث تنفذ الإلكترونات زوجاً واحداً في كل مرة. ومع تعديل الجهد، أصبح السلوك مزيجاً من النفاذ المنفرد والمزدوج. وأخيراً، عند إعداد محدد، وصلوا إلى نقطة حيث تم فيها كبح نفاذ الزوج المنفرد بمعامل قدره مائة مقارنة بنفاذ زوجين معاً. في هذه الحالة، تغير شكل "مشهد الطاقة" للجهاز، حيث تشكل جهد بئر مزدوج تكون فيه أدنى حالات الطاقة مفصولة بحاجز لا يسمح إلا للإلكترونات بالعبور في مجموعات من اثنين. ويعد هذا إنجازاً كبيراً لأنه يثبت أن "تكافؤ" النفاذ — أي ما إذا كان عدد الأزواج العابرة فردياً أم زوجياً — يمكن التحكم فيه باستخدام مقبض خارجي واحد.
هذا التحكم أمر بالغ الأهمية لمستقبل الحوسبة الكمومية لأنه يوفر مساراً نحو بناء كيوبتات محمية ذاتياً من الأخطاء. ففي العديد من التصميمات الحالية، يمكن تغيير حالة الكيوبت بسهء بسبب الضوضاء العشوائية، مما يؤدي إلى أخطاء حسابية. ومع ذلك، إذا تم تصميم الكيوبت بحيث تسمح أدنى حالات طاقته فقط للإلكترونات بالتحرك في مجموعات زوجية، فإن قوانين الفيزياء تمنع أنواعاً معينة من الضوضاء من إزعاج النظام. يحقق الجهاز الجديد هذا الأمر من خلال خلق حالة تلغي فيها عمليات النفاذ ذات الأعداد الفردية بعضها البعض، تاركةً فقط العمليات ذات الأعداد الزوجية. وقد أظهر الباحثون قدرتهم على ضبط نسبة النفاذ الزوجي إلى الفردي عبر نطاق يصل إلى ما يقرب من رتبتين عشريتين، مما حول الجهاز فعلياً إلى عنصر قابل للبرمجة في الدوائر الكمومية. ولم يكتفوا بمجرد محاكاة هذا التأثير، بل قاموا بقياسه مباشرة باستخدام التحليل الطيفي، حيث رصدوا انتقالات الطاقة المحددة التي أكدت هيمنة النفاذ ذي العدد الزوجي.
إن الجهاز الذي بنوه مدمج وبسيط نسبياً، ويتكون من حلقة فائقة التوصيل مع بضع وصلات وقطب بوابة واحد. وتعد هذه البساطة ميزة رئيسية مقارنة بالمحاولات السابقة لتحقيق نتائج مماثلة، والتي كانت تتطلب غالباً مصفوفات معقدة من الوصلات العديدة أو هياكل هجينة يصعب التحكم فيها. ومن خلال استخدام بوابة واحدة لضبط التوازن بين جانبي الحلقة، نجح الباحثون في إيجاد طريقة موثوقة للتبديل بين السلوكيات الكمومية المختلفة. ويظهر عملهم أن الخصائص الأساسية للدائرة فائقة التوصيل يمكن هندستها "على الطاير"، مما يسمح للعلماء بتصميم مشهد الطاقة للكيوبت بما يناسب احتياجات محددة. وهذا يفتح الباب أمام جيل جديد من الأجهزة الكمومية حيث تكون الحماية من الأخطاء مدمجة في نسيج الدائرة نفسها، بدلاً من الاعتماد على تصحيحات برمجية معقدة. إن القدرة على التحكم فيما إذا كانت الإلكترونات تنفذ كأزواج منفردة أو مزدوجة توفر أداة جديدة لبناء حواسيب كمومية أكثر قوة ومتانة، مما يقرب المجال من هدف إنشاء آلات يمكنها العمل بموثوقية في العالم الحقيقي.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.