Low-Frequency Charge Noise in Bilayer Graphene Quantum Dots

في السعي لبناء حاسوب كمي، يبحث العلماء عن مواد يمكنها الاحتفاظ بقطعة من المعلومات، تُعرف باسم "الكيوبت" (qubit)، دون أن تتفكك. تخيل محاولة موازنة قطعة من "البلبل" (spinning top) فوق إبرة؛ إذا كان الهواء به تيارات هوائية أو كان السطح مهتزاً جداً، فسيترنح البلبل ويتوقف. في العالم المجهري للفيزياء الكمية، ينتج هذا الترنح عن "ضجيج" كهربائي ساكن غير مرئي، مما يسبب اهتزاز مستويات الطاقة في المادة. لسنوات، اعتمد الباحثون على رقائق السيليكون وأرسينيد الغاليوم التقليدية لإنشاء هذه الكيوبتات، لكنهم في صراع مستمر مع هذا السكون الكهربائي. وقد ظهر منافس جديد: الغرافين ثنائي الطبقات. تتكون هذه المادة من طبقتين فقط من ذرات الكربون متراصتين مثل الشطيرة. وهي رقيقة للغاية ومرنة، ويمكن ضبطها باستخدام المجالات الكهربائية لحجز الإلكترونات في أقفاص صغيرة تسمى "النقاط الكمية". ولأنها نظيفة للغاية وقابلة للتحكم، فإنها تعد بأن تكون موطناً فائقاً للمعلومات الكمية، ولكن فقط إذا استطاعت الحفاظ على استقرار تلك المعلومات ضد الضجيج الكهربائي نفسه الذي يعيب التقنيات القديمة.

لقد شرع فريق من الباحثين في المعهد الفيدرالي للتكنولوجيا في زيورخ (ETH Zurich) في اختبار ما إذا كان الغرافين ثنائي الطبقات مستعداً حقاً لهذه المهمة. قاموا ببناء أجهزة دقيقة حيث تم حجز الإلكترونات في هذه الأقفاص الغرافينية، ثم استمعوا بدقة إلى البيئة الكهربائية لقياس الضجيج. كان هدفهم هو معرفة ما إذا كان الضجيج في هذه المادة الجديدة أسوأ مما هو عليه في رقائق السيليكون الراسخة، أم أن الطريقة الفريدة لصنع الغرافين قد تجعلها أكثر هدوءاً. ووجدوا أن مستوى الضجيج في الغرافين ثنائي الطبقات يقع في منتصف النطاق المشاهد في أفضل منصات أشباه الموصلات التقليدية. قام الباحثون بقياس قوة التقلبات الكهربائية ووجدوا قيمة وسيطة تضع الغرافين ثنائي الطبقات كخيار تنافسي ومتاح لبناء حواسيب كمية مستقبلية.

لفهم ما كانوا يقيسونه، يجب على المرء أن يتصور "النقطة الكمية" كجزيرة صغيرة تجلس عليها الإلكترونات. إن طاقة هذه الإلكترونات ليست ثابتة؛ فهي تتغير قليلاً كلما تحركت شحنة كهربائية عارضة في مكان قريب. غالباً ما تكون هذه الشحنات العارضة محاصرة في المواد المحيطة بالنقطة، وتنتقل ذهاباً وإياباً بين حالتين. هذا الانتقال يخلق "همهمة" منخفضة التردد تعطل الحالة الكمية الدقيقة. استخدم الباحثون طريقة تسمى "مطيافية النقل"، والتي تتضمن إرسال تيار عبر الجهاز ومراقبة كيفية تغير التدفق مع تغيير الجهد الكهربائي. ومن خلال الاستماع إلى التقلبات في هذا التيار، تمكنوا من رسم خريطة للضجيج. وجدوا أن الضجيج يتبع نمطاً يمكن التنبؤ به، حيث ينخفض مع زيادة التردد، وهو أمر نموذجي لهذا النوع من التداخل. وقد تم قياس قوة هذا الضجيج عند تردد واحد هرتز بـ 1.16 ميكرو إلكترون فولت لكل جذر هرتز. هذا الرقم ليس الأقل تسجيلاً على الإطلاق، ولكنه يقع تماماً ضمن النطاق الذي يعتبر مقبولاً للأجهزة الكمية عالية الأداء، مما يثبت أن منصة الغرافين ليست معيبة بطبيعتها.

ثم طرح الفريق سؤالاً أعمق: هل يتغير الضجيج إذا قمت بتغيير إعدادات الجهاز؟ في العديد من الأنظمة، قد يؤدي إضافة المزيد من الإلكترونات إلى النقطة إلى حمايتها من الضوضاء الخارجية، أو قد يؤدي تغيير شكل المصيدة إلى نقلها لتصبح أقرب إلى مصدر ضجيج. قام الباحثون بتغيير عدد الإلكترونات، وضيق المصيدة، والجهد الذي يدفع الإلكترونات عبر الجهاز، وحتى الطاقة المستخدمة بواسطة المستشعر الذي يقيس النقطة بشكل منهجي. ومن المثير للدهشة أن أياً من هذه التغييرات لم يحدث فرقاً يمكن تكراره. سواء كان لديهم الكثير من الإلكترونات أو القليل، أو سواء دفعوا التيار بقوة أكبر، ظل مستوى الضجيج ثابتاً بعناد. يشير هذا إلى أن مصدر الضجيج ليس شيئاً يمكن للباحثين ضبطه أو حجب الضجيج عنه بسهولة؛ إذ يبدو أنه خاصية أساسية للبيئة المحيطة بالغرافين، ومن المرجح أنها تأتي من طبقات المواد المستخدمة لحماية والتحكم في الجهاز، وليس من الغرافين نفسه.

وللتأكد تماماً من أن نتائجهم لم تكن مجرد مصادفة ناتجة عن تقنية قياس محددة، كرر العلماء التجربة بطريقتين مختلفتين. أولاً، بنوا جهازاً يحتوي على نقطتين كميتين بدلاً من واحدة، مما خلق نظاماً ذا نقطتين. قاموا بقياس الضجيج بين هاتين النقطتين ووجدوا أن المستويات كانت متوافقة مع قياسات النقطة الواحدة. ثانياً، استخدموا طريقة مختلفة تماماً تتضمن "رنانًا فائق التوصيل" (superconducting resonator)، وهو نوع من الدوائر الكهربائية التي تهتز عند تردد معين، لاستشعار الضجيج دون إرسال تيار عبر الجهاز. أكد هذا الفحص المستقل نفس مستويات الضجيج. كما اختبروا نسخة من الجهاز حيث أضافوا طبقة من مادة أخرى، وهي "ثنائي كالكوجينيد المعادن الانتقالية"، لإدخال نوع معين من التفاعل المفيد للحوسبة الكمية. وحتى مع هذه الطبقة الإضافية، التي كان من الممكن أن تقدم عيوباً أو ضجيجاً جديداً، لم يزد ضجيج الشحنة. يشير هذا إلى أن طبقة الغرافين تظل هادئة كهربائياً حتى عند تعديلها لمهام أكثر تعقيداً.

إن تداعيات هذه النتائج عملية وفورية. نظرًا لأن الضجيج مستقر ومماثل لأفضل المواد الموجودة حالياً، فلا يحتاج المهندسون إلى القلق من أن اختيار الغرافين ثنائي الطبقات سيؤدي تلقائياً إلى إفساد أداء الحاسوب الكمي. استخدم الباحثون قياسات الضجيج الخاصة بهم لتقدير المدة التي يمكن أن يحتفظ فيها الكيوبت بحالته قبل أن يتسبب الضجيج في فقدان تماشه (coherence). وحسبوا أنه بالنسبة للكيوبت القائم على الشحنة، ستستمر المعلومات لبضع مئات من البيكو ثانية، وهو إطار زمني يتماشى مع ما لوحظ في مواد أخرى. وبينما يعد هذا وقتاً قصيراً جداً بالمقاييس البشرية، إلا أنه كافٍ للعمليات السريعة المطلوبة في المنطق الكمي. والأهم من ذلك، تشير الدراسة إلى أنه بالنسبة لكيوبتات "اللف المغزلي" (spin) أو "الوادي" (valley)، وهي أقل حساسية لهذا النوع من الضوضاء، يمكن أن تكون أوقات التماسك أطول بكثير. ويؤكد هذا العمل أن الغرافين ثنائي الطبقات منصة قوية حيث لا تؤدي تفاصيل كيفية بناء الجهاز أو ضبطه إلى تقويض قدرته على الاحتفاظ بالمعلومات الكمية بشكل حرج، مما يترك الباب مفتوحاً أمام الباحثين للتركيز على جوانب أخرى لبناء آلة كمية عاملة.