Two-Dimensional Materials toward CMOS-Compatible Scalable Quantum Hardware

إن السعي لبناء حاسوب كمي لا يتعلق بصنع نوع جديد من الآلات بقدر ما يتعلق بحل مشكلة الهشاشة المفرطة. ففي قلب هذه الآلات توجد الكيوبتات (qubits)، وهي الوحدات الصغيرة للمعلومات التي يمكن أن توجد في حالات متعددة في آن واحد، على عكس مفاتيح التشغيل والإيقاف البسيطة في الحاسوب التقليدي. ولكي تعمل، يجب الحفاظ على هذه الكيوبتات في حالة من النظام المثالي، معزولة عن أدنى اهتزاز أو حرارة أو ضجيج كهربائي. ومع ذلك، في العالم الحقيقي، نادراً ما تكون المواد المستخدمة في بنائها مثالية؛ فهي تحتوي على عيوب مجهرية، وحواف خشنة، وبقايا كيميائية من عملية التصنيع تعمل مثل التشويش على خط الراديو، مما يؤدي إلى تشتيت المعلومات الدقيقة قبل استخدامها. وعلى مدى عقود، حاول العلماء تنعيم هذه الأسطح وتنقيه هذه المواد، لكن فعل بناء شريحة معقدة غالباً ما يؤدي إلى إدخال عيوب جديدة تقضي على الحالة الكمية.

يقترح منظور جديد من باحثين في جامعة آيندهوفن للتكنولوجيا أن الحل قد يكمن في نوع مختلف من المواد: البلورات ثنائية الأبعاد. هذه المواد هي مواد تتكون من طبقة واحدة فقط من الذرات، مثل ورقة رقيقة بعمق ذرة واحدة. ولأنها رقيقة جداً وحوافها نظيفة بطبيعتها، فإنها توفر وسيلة لبناء أجهزة كمية دون الواجهات الفوضوية والخشنة التي تعاني منها المواد التقليدية. ويتساءل الباحثون سؤالاً عملياً: هل يمكن استخدام الأساليب الصناعية التي يتم تطويرها بالفعل لوضع هذه الصفائح فائقة الرقة في شرائح الكمبيوتر من الجيل القادم لبناء المعالجات الكمية في المستقبل؟ الإجابة ليست "نعم" بسيطة بعد، لكن المسار نحو الأمام أصبح أكثر وضوحاً. لقد حدد الفريق أين تعمل هذه المواد حالياً، وأين تفشل، وما هي التجارب التي يجب أن تحدث بالضبط لتحويل الفضول المختبري إلى تكنولوجيا قابلة للإنتاج الضخم.

إن الرحلة من جهاز واحد تم تجميعه يدوياً إلى معالج كمي مصنوع في مصنع مليئة بالعقبات. في المختبر، قد يقوم عالم بعناية بتقشير رقاقة صغيرة من مادة ثنائية الأبعاد من بلورة أكبر وتكديسها مع رقاقة أخرى تحت المجهر لإنشاء كيوبت واحد. هذا يعمل لجهاز أو جهازين، لكن لا يمكن توسيع نطاقه. لبناء حاسوب يحتوي على آلاف الكيوبتات، يجب أن تكون العملية قابلة للتكرار، ومنتظمة، ومتوافقة مع المصانع الضخمة التي تصنع شرائح السيليكون حالياً. ويشير الباحثون إلى أنه بينما شهدنا نتائج مبهرة مع كيوبتات فردية ثنائية الأبعاد، لم نرَ بعد عملها معاً في مصفوفات كبيرة وموثوقة. إن الفجوة بين تجربة ناجحة واحدة ومنتج قابل للتصنيع واسعة، وهي مليئة بقضايا مثل البقايا الكيميائية التي تتركها عملية التصنيع، والفقاعات المحتبسة بين الطبقات، والاختلافات في المادة التي تتغير من مكان إلى آخر على الرقاقة.

لفهم أين نقف، قام المؤلفون بتصنيف البحث الحالي إلى أربع فئات متميزة. أولاً، هناك الكيوبتات التي تم إثباتها بالكامل، حيث نجح العلماء في إعداد الحالة الكمية، والتحكم فيها، وقراءة النتيجة. ثانياً، هناك المكونات المثبتة، وهي أجزاء من دائرة تعمل كما هو مخطط لها ولكن لم يتم دمجها بعد في كيوبت كامل. ثالثاً، هناك الظواهر الفيزيائية، حيث ثبت العلم الأساسي ولكن لم يتم بناء جهاز لاستغلاله. وأخيراً، هناك المفاهيم المقترحة، وهي أفكا-ر على الورق لم تُختبر بعد. يكشف هذا التصنيف أنه بينما لدينا بعض الكيوبتات العاملة المصنوعة من هذه المواد، فإن العديد من الأفكار الأكثر إثارة لا تزال في مراحل "المقترحات" أو "المكونات". على سبيل المثال، بنى العلماء دائرة فائقة التوصيل باستخدام مكثف مصنوع من مادة ثنائية الأبعاد يمكنه الاحتفاظ بحالة كمية لفترة طويلة، لكنهم لم يظهروا بعد إمكانية القيام بذلك باستمرار عبر رقاقة مصنع كاملة.

يتضمن أحد أكثر المجالات واعداً استخدام هذه الصفائح رقيقة الذرات لإنشاء واجهات أفضل للدوائر فائقة التوصيل. في الكيوبتات فائقة التوصيل التقليدية، غالباً ما يكون الحاجز بين طبقتين معدنيتين عبارة عن أكسيد خشن وغير منظم يتسبب في تلاشي المعلومات الكمية. ومن خلال استبدال هذا بحبل كريستالي مسطح تماماً وثنائي الأبعاد، أنشأ الباحثون وصلات أنظف بكثير. وقد أظهروا أن هذه الوصلات الجديدة يمكنها نقل الكهرباء دون مقاومة ويمكن ضبطها بواسطة بوابات كهربائية، مما يوفر مستوى من التحكم كان من الصعب تحقيقه من قبل. ومع ذلك، تؤكد الورقة أنه بينما تعمل هذه الأجهزة الفردية، إلا أن الإثبات الإحصائي مفقود. فنحن لا نعرف بعد ما إذا كانت كل وصلة على شريحة كبيرة ستعمل بنفس الطريقة، أو ما إذا كانت عملية صنعها ستدخل عيوباً خفية لا تظهر إلا عند توصيل الآلاف منها.

هناك مسار رئيسي آخر يتمثل في استخدام المواد ثنائية الأبعاد لحجز والتحكم في الإلكترونات الفردية، والتي تعمل ككيوبتات مغزلية (spin qubits). في هذه الأجهزة، يحمل دوران الإلكترون (spin)، وهي خاصية تشبه مغناطيساً صغيراً، المعلومات. ويسلط الباحثون الضوء على أن مواد مثل الغرافين ثنائي الطبقات يمكنها حصر هذه الإلكترونات بفعالية بحيث يمكن لمدارها أن يستمر لفترة طويلة جداً. وتحديداً، أظهر جهاز "ثقب واحد" في الغرافين ثنائي الطبقات زمن استرخاء "سبين-فالي" قدره 38 ثانية في درجات حرارة منخفضة للغاية. هذا إنجاز مذهل، مما يشير إلى أن المادة نفسها هادئة جداً ولا تزعج الإلكترون. ومع ذلك، يظل التحدي في أخذ هذا النجاح الفردي وتكراره عبر شريحة كبيرة. تعتمد التجارب الحالية على قطع صغيرة مختارة بعناية من المادة، وليس من الواضح ما إذا كان يمكن تحقيق نفس الأداء عندما يتم نمو المادة على نطاق واسع ومعالجتها بواسطة الآلات بدلاً من اليد.

هناك أيضاً فرصة فريدة مع المواد ثنائية الأبعاد لإنشاء كيوبتات يمكن التحكم فيها بواسطة الضوء. إذ يمكن لبعض العيوب، أو الذرات المفقودة، في بلورة تسمى نيتريد البورون السداسي أن تعمل كبت كمي يمكن قراءته وكتابته باستخدام الليزر، حتى في درجة حرارة الغرفة. وهذه خاصية نادرة وقيمة، حيث يجب إبقاء معظم الأنظمة الكمية بالقرب من الصفر المطلق لتعمل. وقد حدد الباحثون عيوباً محددة يمكن التحكم فيها بهذه الطريقة، لكن العمل لا يزال في مراحله الأولى. والهدف هو إيجاد طريقة لإنشاء هذه العيوب بدقة حيث تشتد الحاجة إليها، وبأعداد كبيرة، وضمان أنها جميعاً تتصرف بنفس الطف الطريقة. حالياً، القدرة على وضع هذه العيوب بدقة وتحقيق عائد عالٍ من العيوب الصالحة للاستخدام هي العقبة الرئيسية.

يتطلب المسار إلى الأمام تحولاً من النظر إلى الأجهزة الفردية المثالية إلى النظر إلى إحصائيات العديد من الأجهزة. وتجادل الورقة بأن الخطوة الحاسمة التالية هي قياس كيفية أداء هذه المواد عبر رقاقة مصنع كاملة. وهذا يعني التحقق ليس فقط مما إذا كان كيوبت واحد يعمل، بل ما إذا كان مائة منها يعمل، وما إذا كانت جميعها تعمل بنفس الطريقة. ويتضمن ذلك تطوير طرق جديدة لقياس جودة المادة وعملية التصنيع دون تدمير الجهاز. ويقترح الباحثون دورة من الاختبارات حيث يتم ربط البيانات من أرض المصنع مباشرة بأداء الجهاز الكمي. فإذا تسببت خطوة معينة في عملية التصنيع في انخفاض الأداء، يجب تحديد تلك الخطوة وإصلاحها. هذا النوع من النهج الصارم القائم على البيانات هو ما يميز الفضول العلمي عن التكنولوجيا التي يمكن بناؤها على نطاق واسع.

كما يتطلع المؤلفون إلى ثلاثة مفاهيم محددة لا يمكن تحقيقها إلا باستخدام هذه المواد ثنائية الأبعاد. يتضمن الأول إدخال أيونات نادرة الأرض في الفجوات بين طبقات البلورة لإنشاء أنواع جديدة من الكيوبتات. وتستخدم الفكرة الثانية التواء الطبقات الفريد لإنشاء نوع خاص من الوصلات الكهربائية التي يمكن أن تعمل ككيوبت دون الحاجة إلى مجالات مغناطيسية خارجية. أما المفهوم الثالث فيستخدم النمط الناتج عن التواء طبقتين من المادة لإنشاء نظام كمي متعدد المستويات، والذي يمكنه نظرياً تخزين معلومات أكثر من الكيوبت القياسي. وبينما تعد هذه الأفكار سليمة نظرياً ومدعومة ببعض الأدلة التجريبية، إلا أنها تظل غير مثبتة. وتوضح الورقة أن هذه ليست منتجات نهائية بل هي اتجاهات للبحث المستقبلي التي تحتاج إلى اختبار بنفس الصرامة التي تخضع لها التقنيات الحالية.

في نهاية المطاف، تكمن قيمة هذه المواد ليس في استبدال تكنولوجيا السيليكون الحالية، بل في إضافة وظائف محددة يصعب أو يستحيل تحقيقها بالطرق التقليدية. فهي توفر وسيلة لتقليل الضجيج الذي يقتل المعلومات الكمية، وطريقة لدمج إلكترونيات التحكم مباشرة بجانب الكيوبتات، وطريقة لإنشاء واجهات أنظف وأكثر قدرة على التحكم. ويخلص الباحثون إلى أن الإمكانات حقيقية، لكنها مشروطة. فلن تتحقق الفوائد إلا إذا تم تحسين عمليات التصنيع لإنتاج أجهزة متسقة وعالية الجودة. وحتى ذلك الحين، يجب أن يظل التركيز على إثبات أن هذه المواد يمكن جعلها تعمل بشكل موثوق، ليس فقط في تجربة واحدة، بل في البيئة الواسعة والمعقدة لمعالج كمي. إن قصة الأجهزة الكمية ثنائية الأبعاد لا تزال تُكتب، والفصل القادم يعتمد على القدرة على تحويل بعض التجارب المختبرية الناجحة إلى صناعة موثوقة وقابلة للتوسع.