Quasiparticle-induced transitions in a fluxonium qubit
من خلال توظيف حقن أشباه الجسيمات المحكوم على الشريحة ومراعاة عدم تماثل الفجوة فائقة التوصيل، نجحت هذه الدراسة في عزل وتوصيف الانتقالات الناجمة عن أشباه الجسيمات في كيوبت "فلوكسونيوم"، مما أدى إلى حل التناقضات السابقة في كثافات أشباه الجسيمات المستنتجة بين وصلته الصغيرة ومصفوفة الوصلات.
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
ملعب الكم والأشباح غير المرئية
تخيل عالماً لا تتدفق فيه الكهرباء مثل الماء في الأنابيب، بل تتصرف بدلاً من ذلك كموجة من الاحتمالات، مما يسمح للجسيمات بالتواجد في مكانين في آن واحد. هذا هو مجال الحوسبة الكمومية، حيث يبني العلماء آلات صغيرة تسمى "الكيوبتات" (qubits) لحل مشكلات قد تستغرق الحواسيب العادية ملايين السنين لحلها. ولجعل هذه الكيوبتات تعمل، يقوم الباحثون بتجميدها إلى درجات حرارة أبرد من أعماق الفضاء ويحمونها من كل ذرة ضجيج في الكون. ولكن هناك مشاغب متسلل يظهر باستمرار: "أشباه الجسيمات" (quasiparticles).
تخيل سلكاً فائق التوصيل كأنه أرضية رقص منظمة تماماً حيث تترابط الإلكترونات وتتحرك في تناغم تام. تُسمى هذه الأزواج بـ "أزواج كوبر" (Cooper pairs). أما شبه الجسيم فهو مثل راقص طُرد من الصف، يتخبط وحيداً ويكسر إيقاع الأرضية بأكملها. عندما يصطدم هؤلاء الراقصون المنفردون بالكيوبت، يتسببون في فقدانه لمعلوماته الكمومية، وهي عملية تسمى "فقدان الترابط" (decoherence). لقد قضى العلماء سنوات في محاولة معرفة مدى تكرار حدوث هذه الأعطال ومن أين تأتي، لأنه إذا لم نتمكن من إيقافها، فلن تكون حواسيبنا الكمومية موثوقة بما يكفي أبداً لحل مشكلات العالم الحقيقي.
لغز الأشباح المفقودة في "الفلوكسونيوم"
في هذه الدراسة، قرر فريق من الباحثين من جامعة سيراكيوز، وهارفارد، وجوجل، ومؤسسات أخرى، التحقيق في هؤلاء المشاغبين داخل نوع محدد من البتات الكمومية يسمى "الفلوكسونيوم" (fluxonium). يمكنك التفكير في الفلوكسونيوم كأنه مجموعة أراجيح قوية وحساسة للغاية. على عكس قريبه، كيوبت "الترانسمون" (transmon)، صُمم الفلوكسونيوم ليكون قوياً جداً ضد الضجيج الكهربائي، لكن هذه القوة تأتي مع ثمن: فهو بارع جداً في تجاهل الشحنات الكهربائية لدرجة أن العلماء لا يستطيعون "رؤية" متى يقفز شبه جسيم عبر وصلاته بسهولة. الأمر يشبه محاولة عد عدد الأشخاص الذين يتسللون إلى حفلة موسيقية من خلال الاستماع إلى صوت خطواتهم، لكن قاعة الحفل معزولة صوتياً لدرجة أنك لا تستطيع سماع أي شيء.
عادةً، عندما يريد العلماء معرفة عدد أشباه الجسيمات التي تسبب المشاكل، فإنهم ينتظرون فقط ليروا كم من الوقت سيظل الكيوبت في حالة استثارة قبل أن يعود إلى حالته الأصلية. لكن هذه الطريقة تشبه محاولة تخمين عدد الأشخاص الموجودين في غرفة من خلال مراقبة فتح الباب وإغلاقه؛ فمن الصعب معرفة ما إذا كان الضجيج ناتجاً عن الأشخاص الذين تبحث عنهم أم مجرد رياح تهب على الباب. ولحل هذه المشكلة، بنى الباحثون "حقن أشباه جسيمات" خاصاً على نفس شريحة الكيوبت مباشرة. تخيل مرشة مياه صغيرة يتم التحكم فيها، ترش دفعة من هؤلاء الراقصين المتمردين على أرضية الرقص عند الطلب. ومن خلال تشغيل وإطفاء هذه المرشة، استطاعوا خلق قدر معروف من الفوضى وقياس مدى سرعة فقدان الكيوبت لطاقته مقارنة بالوقت الذي كانت فيه المرشة مطفأة.
ما وجدوه: الحجم مهم
اكتشف الفريق شيئاً مفاجئاً حول كيفية سلوك أشباه الجسيمات هذه. لفترة طويلة، افترض العلماء أن "الفجوة" بين مستويات الطاقة في المواد فائقة التوصيل هي نفسها في كل مكان في الدائرة، مثل أرضية مسطحة تماماً. كما افترضوا أن أشباه الجسيمات كانت باردة جداً وذات طاقة منخفضة، بحيث لا تملك طاقة كافية للقيام بالكثير. ومع ذلك، وجد الباحثون أنه في حالة الفلوكسونيوم الخاص بهم، لم تكن الأرضية مسطحة على الإطلاق. فالمادة فائقة التوصيل على أحد جانبي الوصلة كانت تختلف قليلاً في السمك عن الجانب الآخر، مما خلق "عدم تماثل في الفجوة" (gap asymmetry).
عمل هذا الاختلاف في السمك مثل "حارس أمن" في ملهى ليلي. فعندما يحاول أشباه الجسيمات القفز عبر الوصلة لإحداث المشاكل، يقوم الحارس (فرق الفجوة) بإيقاف الكثير منهم، خاصة عندما يكون الكيوبت في حالة محددة تسمى "نقطة كم التدفق نصف الصحيح" (half-integer flux quantum). وأظهر الباحثون أنه إذا تجاهلتم هذا الحارس، فإن حساباتكم ستتوقع أن الكيوبت سيكون أكثر حساسية لأشباه الجسيمات عند تلك النقطة تحديداً مما هو عليه في الواقع. ولكن بمجرد أن أخذوا الحارس في الاعسب، تطابقت الرياضيات مع التجربة تماماً.
حل التناقض
يساعد هذا الاكتشاف في حل لغز طويل الأمد. في الدراسات السابقة، قاس العلماء "الحدود العليا" (التقديرات الأسوأ) لعدد أشباه الجسيمات الموجودة في الوصلة الصغيرة مقابل المصفوفة الكبيرة من الوصلات في الدائرة. ووجدوا باستمرار أن الوصلة الصغيرة تبدو وكأنها تحتوي على المزيد بكثير من المشاغبين مقارنة بالمصفوفة الكبيرة—أحياناً عشرة أضعاف أكثر. لم يكن هذا منطقياً، لأن أشباه الجسيمات يجب أن تكون موزعة بالتساوي.
يشير المؤلفون إلى أن هذا التناقض لم يكن بسبب كون الوصلة الصغيرة "أكثر اتساخاً" في الواقع. بل كان بسبب أن النماذج الرياضية القديمة كانت تفتقر إلى تأثير "الحارس". فقد افترضت النماذج أن الفجوة هي نفسها في كل مكان، مما جعل المصفوفة الكبيرة تبدو وكأنها تسبب قدراً هائلاً من المشاكل (لأن الرياضيات توقعت أنها ستكون حساسة جداً). وعندما أضاف الباحثون فرق الفجوة إلى نموذجهم، انخفضت حساسية المصفوفة الكبيرة، وأظهرت الرياضيات أن كثافة أشباح الجسيمات كانت في الواقع هي نفسها في كل من الوصلة الصغيرة والمصفوفة الكبيرة.
الخلاصة
بينما لم يتمكن الفريق من قياس معدل "الاستثارة" (مدى تكرار دفع الكيوبت إلى الأعلى إلى طاقة أعلى) بشكل مثالي لأن الكيوبت كان يتسرب أحياناً إلى حالات طاقة أعلى مخفية أربكت أجهزة الاستشعار الخاصة بهم، إلا أنهم كانوا واثقين جداً من معدل "فقدان الاستثارة" (مدى سقوطه إلى الأسفل). تشير نتائجهم إلى أن عدم استواء سمك الأفلام فائقة التوصيل هو لاعب رئيسي في كيفية تسبب أشباه الجسيمات في الأخطاء. وهذا يعني أنه من خلال هندسة سمك هذه الأفلام بعناية، قد يتمكن العلماء من بناء حواسيب كمومية أفضل وأكثر استقراراً ومحمية طبيعياً من هذه الأشباح غير المرئية. لا تدعي الورقة البحثية أنها حلت المشكلة بعد، لكنها توفر خريطة أوضح لمصدر المشاكل، مما يشير إلى أن تأثير "الحارس" هو قطعة حاسمة من اللغز كان الجميع يفتقدها.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.