Krypton-sputtered tantalum films for scalable high-performance quantum devices

في السعي لبناء آلات يمكنها حل مشكلات تتجاوز بكثير قدرات حواسيب اليوم، يتجه العلماء إلى حالة غريبة من المادة حيث تتدفق الكهرباء دون أي مقاومة على الإطلاق. هذه الآلات، المعروفة باسم الحواسيب الكمومية، تعتمد على دوائر صغيرة تسمى "الكيوبتات" (qubits) لحفظ المعلومات. وللحفاظ على عمل هذه الدوائر الدقيقة، يجب تبريدها إلى درجات حرارة أبرد من أعماق الفضاء، وغالبًا ما تُصنع من معادن فائقة التوصيل. ومن بين العديد من المواد التي تم اختبارها، برز معدن يسمى التنتالوم مؤخرًا كبطل، بقدرته على حفظ المعلومات الكمومية لفترة أطول من أي مادة أخرى معروفة. ومع ذلك، هناك عقبة؛ فلكي يعمل التنتالوم بأفضل حالاته، يحتاج عادةً إلى التسخين لدرجات حرارة أعلى من فرن البيتزا القياسي، وهو أمر شديد الحرارة بالنسبة لرقائق السيليكون الدقيقة المستخدمة في الإلكترونيات الحديثة. هذا التفاوت في درجات الحرارة جعل من الصعب بناء هذه الآلات الكمومية المتقدمة باستخدام نفس المصانع التي تنتج الهواتف والحواسيب التي نستخدمها كل يوم.

لقد وجد فريق من الباحثين في جامعة كورنيل طريقة لتجاوز حاجز الحرارة هذا، مما فتح مسارًا جديدًا لبناء هذه الآلات على نطاق واسع. فبدلاً من الاعتماد على الحرارة الشديدة لإجبار التنتالوم على اتخاذ الهيكل الصحيح، اكتشفوا أن مجرد تغيير الغاز المستخدم لرش المعدن على رقاقة السيليكون يحدث كل الفرق. فمن خلال استبدال غاز الأرغون الشائع بغاز أثقل وأندر يسمى الكريبتون، تمكنوا من نمو أفلام تنتالوم عالية الجودة عند درجات حرارة منخفضة تصل إلى 200 درجة مئوية. وهذه درجة حرارة منخفضة بما يكفي لتكون متوافقة مع خطوط تصنيع أشباه الموصلات القياسية، مما يعني أن هذه الأجهزة الكمومية يمكن بناؤها في النهاية في نفس المصانع الضخمة التي تصنع إلكترونياتنا اليومية.

بدأ الباحثون بمقارنة كيفية سلوك أفلام التنتالوم عند رشها باستخدام الأرغون مقابل الكريبتون. فعند استخدام غاز الأرغون التقليدي، لا يشكل المعدن الهيكل الصحيح عالي الأداء إلا إذا تم تسخين رقاقة السيليكون إلى 350 درجة مئوية على الأقل. وتحت درجة الحرارة هذه، يشكل المعدن هيكلًا مختلفًا وأقل فائدة يوصل الكهرباء بشكل ضعيف. وفي المقابل، عندما استخدم الفريق غاز الكريبتون، شكل المعدن الهيكل الصحيح حتى عندما تم الحفاظ على الرقاقة عند درجة حرارة أبرد بكثير تبلغ 200 درجة. وقد خلق هذا نطاقًا واسعًا من درجات الحرارة التي تعمل فيها العملية، مما منح المهندسين المرونة التي يحتاجون إليها للإنتاج الضخم.

وبعيدًا عن مجرد تشكيل الشكل الصحيح، تبين أن الأفلام المصنوعة بالكريبتون كانت أفضل بكثير في توصيل الكهرباء. فقد قاس الباحثون مدى سهولة حركة الإلكترونات عبر المعدن ووجدوا أن الأفلام المرشوشة بالكريبتون سمحت للإلكترونات بالسفر لمسافات أبعد بكثير دون الاصطدام بالشوائب أو العيوب. وهذا يشير إلى أن الأفلام نقية ونظيفة للغاية، وهي جودة أساسية للحفاظ على الحالات الكمومية الهشة اللازمة للحوسبة. وعندما نظروا بدقة إلى الحد الفاصل حيث يلتقي المعدن بالسيليكون، رأوا أن درجات الحرارة المنخفضة المستخدمة مع الكريبتون منعت المادتين من الاختلاط ببعضهما البعض كما حدث في عملية الأرغون الأكثر سخونة. وهذا الفصل النظيف أمر بالغ الأهمية لأن أي اختلاط عند الواجهة يمكن أن يتسبب في تسرب المعلومات الكمومية وضياعها.

ولاختبار ما إذا كانت هذه التحسينات في المواد ستترجم بالفعل إلى أجهزة أفضل، قام الفريق ببناء رنانات ميكروويف صغيرة، وهي دوائر تهتز بترددات محددة، ثم صنعوا بتات كمومية كاملة، تُعرف باسم "الترانسمون" (transmons). ووجدوا أن الرنانات المصنوعة من أفلام الكريبتو ت عملت في قمة مستويات التكنولوجيا الحالية، حيث حافظت على الطاقة بمعامل جودة يزيد عن أربعة ملايين. وعندما صنعوا بتات كمومية كاملة بتصميم مدمج، حققت هذه الأجهزة متوسط معامل جودة يصل إلى 14 مليونًا. وهذه نتيجة مذهلة، تظهر أن الطريقة الجديدة تنتج أجهزة تضاهي أفضل الأجهزة المصنوعة في المختبرات المتخصصة، ولكن بعملية أكثر توافقًا مع التصنيع الصناعي.

كما كشولت الدراسة أن درجة الحرارة التي يُنمى عندها المعدن تؤثر بشكل كبير على الأداء النهائي. فبينما نجحت طريقة الكريبتون عند 250 و350 درجة، فإن رفع درجة الحرارة إلى 600 درجة أدى في الواقع إلى جعل الأجهزة أسوأ، مما تسبب في فقدانها للطاقة بسرعة أكبر. وقد ارتبط هذا بحقيقة أنه عند درجات الحرارة الأعلى، بدأ التنتالوم والسيليكون في الاختلاط بعمق أكبر، مما خلق واجهة فوضوية أعاقت تدفق الكهرباء. وأكد الباحثون أن أفضل النتائج جاءت من الحفاظ على العملية باردة واستخدام غاز الكريبتون، مما سمح بنمو حبيبات معدنية كبيرة ومنتظمة دون الاختلاط غير المرغوب فيه.

إن هذا العمل لا يحسن مادة واحدة فحسب، بل يقترح طريقة جديدة للتفكير في كيفية بناء مستقبل الحوسبة. فمن خلال إثبات أن مجرد تغيير بسيط في الغاز المستخدم أثناء التصنيع يمكن أن يفتح الباب للأداء العالي عند درجات حرارة منخفضة، أزال الباحثون عقبة رئيسية أمام توسيع نطاق التكنولوجيا الكمومية. وتشير النتائج إلى أن ذرات الكريبتون الثقيلة تنقل الطاقة بكفاءة أكبر إلى ذرات المعدن أثناء عملية الرش، مما يساعدها على الاستقرار في الهيكل الصحيح دون الحاجة إلى الحرارة الإضافية التي تسبب المشاكل عادةً. ويمكن تطبيق هذا النهج على معادن ومواد أخرى أيضًا، مما قد يسمح بإنشاء مجموعة متنوعة من الأجهزة الكمومية عالية الأداء.

قام الفريق بالتحقق من نتائجهم من خلال بناء بتات كمومية عاملة وقياس المدة التي يمكنها خلالها حفظ المعلومات. كانت الأجهزة التي صنعوها مدمجة، حيث تباعدت المكونات الكهربائية بمقدار 20 ميكرومتر فقط، ومع ذلك حافظت على حالتها الكمومية لأوقات مذهلة. وهذا يثبت أن الأفلام الجديدة ليست جيدة من الناحية النظرية فحسب، بل هي متينة بما يكفي للصمود أمام الخطوات المعقدة لصنع شريحة حاسوبية كاملة. وأشار الباحثون إلى أنه بينما لا تزال بعض خطوات عملية التصنيع، مثل تنظيف السطح قبل إضافة المكونات النهائية، تحتاج إلى تحسين، فإن المادة الأساسية نفسها جاهزة للإنتاج الضخم.

في نهاية المطاف، يوفر هذا البحث مسارًا واضحًا لإخراج الحوسبة الكمومية من المختبر إلى العالم. إن القدرة على نمو أفلام عالية الأداء عند درجات حرارة يمكن للمصانع القياسية التعامل معها تعني أن الحاجز بين العلم التجريبي والواقع الصناعي قد انخفض أخيرًا. ومع تقدم المجال، قد يصبح استخدام غاز الكريبتون أداة قياسية، مما يتيح الإنتاج الضخم للدوائر فائقة التوصيل التي ستدعم الجيل القادم من الحواسيب. ويقف هذا العمل كشهادة على قوة علم المواد، موضحًا أن المفتاح أحيانًا لتحقيق طفرة هائلة ليس اختراعًا جديدًا، بل هو تعديل بسيط في الظروف التي نبني بها العالم من حولنا.