Electric-dipole-induced nuclear electric resonance in silicon

في السعي لبناء آلة قادرة على حل مشكلات تتجاوز بكثير قدرات حواسيب اليوم، يتجه العلماء إلى أصغر وحدات البناء في الطبيعة: الذرات نفسها. فداخل هذه الذرات، تمتلك جسيمات دقيقة تسمى الإلكترونات والنوى خاصية تُعرف باسم "اللف المغزلي" (spin)، والتي يمكن تصورها كإبرة بوصلة مجهرية تشير إما للأعلى أو للأسفل. ومن خلال التحكم في هذا اللف، يمكن للباحثين إنشاء البتات الكمومية، أو الـ "كيوبتات" (qubits)، وهي الوحدات الأساسية للمعلومات الكمومية. ومن بين المرشحين المتنوعين لهذه الكيوبتات، برزت نواة ذرة الفوسفور المدمجة في شريحة سيليكون كمرشح واعد للغاية؛ إذ يتميز لفها المغزلي باستقرار ملحوظ، وقدرة على الاحتفاظ بالمعلومات لفترة طويلة دون أن تتلاشى، وهي جودة تُعرف باسم "التماسك" (coherence). ومع ذلك، هناك عقبة كبيرة: فبينما تعد هذه اللفات النووية ممتازة في تذكر المعلومات، إلا أنها صعبة التحكم بسرعة بشكل ملحوظ. تقليديًا، استخدم العلماء المجالات المغناطيسية لقلب هذه اللفات، وهي طريقة دقيقة ولكنها بطيئة، تشبه محاولة تدوير صمام ثقيل وصلب باستخدام مفتاح ربط صغير. ولجعل الحواسيب الكمومية عملية، يحتاج العلماء إلى وسيلة للتحكم في هذه اللفات بسرعة ودقة المفتاح الكهربائي.

اقترح فريق من الباحثين في جامعة الجنوب للعلوم والتكنولوجيا في شنزن طريقة نظرية جديدة للتغلب على حد السرعة هذا، مقدمين وسيلة للتحكم في الل المغزلي لنواة ذرة الفوسفور باستخدام الكهرباء فقط. يركز عملهم على إعداد محدد حيث توضع ذرة فوسفور واحدة بالقرب من مصيدة صغيرة للإلكترونات، تُعرف باسم "النقطة الكمومية" (quantum dot)، على سطح السيليكون. في هذا الترتيب، يرتبط الإلكترون والنواة بقوة خفية تسمى "التفاعل فائق الدقة" (hyperfine interaction)، والتي تسمح لهما بالتأثير على بعضهما البعض. واكتشف الباحثون أنه من خلال تطبيق مجال كهربائي مضبوط بعناية، يمكنهم تعديل هذا الارتباط، مما يجعل الإلكترون يعمل كجسر لنقل الطاقة الكهربائية مباشرة إلى النواة. هذه العملية، التي أطلقوا عليها اسم "الرنين الكهربائي النووي المستحث ثنائي القطب الكهربائي" (electric-dipole-induced nuclear electric resonance)، تسمح بقلب الل المغزلي النووي بسرعات تفوق الطرق المغناطيسية التقليدية بآلاف المرات.

تعتمد الآلية على عملية ذكية مكونة من خطوتين تتضمن موقع الإلكترون ولفه المغزلي. في النظام المقترح، يقوم مجال كهربائي متذبذب بدفع الإلكترون ذهابًا وإيابًا بين ذرة الفوسفور والنقطة الكمومية القريبة. وبينما يتحرك الإلكترون، يتغير تفاعله مع النواة، وبما أن الإلكترون حساس أيضًا لتدرج مجال مغناطيسي محدد، فإن هذه الحركة تخلق مسارًا لوصول الطاقة الكهربائية إلى الل المغزلي النووي. وقد حسب الباحثون أن هذا النهج يمكن أن يولد إشارة تحكم بتردد يصل إلى 39 ميجاهرتز. ولوضع ذلك في السياق، تعمل التقنيات المغناطيسية القياسية عادةً عند ترددات تقارب 30 كيلوهرتز، بينما الطرق التي تستخدم الشكل الكهربائي للنواة نفسها أبطأ، عند حوالي 1 كيلوهرتز. وهذا يعني أن الطريقة الجديدة ليست مجرد تحسين طفيف، بل تمثل قفزة هائلة في السرعة، مما قد يسمح بالتنفيذ السريع للحسابات المعقدة المطلوبة للحوسبة الكمومية.

ومع ذلك، غالبًا ما تأتي السرعة على حساب الاستقرار؛ فالتحكم الكهربائي يكون عمومًا أكثر عرضة للضوضاء من البيئة المحيطة مقارنة بالتحكم المغناطيسي، مما قد يتسبب في فقدان الكيوبت لمعلوماته. وقد عالج الباحثون هذا القلق من خلال تحديد "نقاط مثالية" (sweet spots) في المجال الكهربائي يصبح فيها النظام مقاومًا طبيعيًا للضوضاء الكهربائية. ومن خلال تشغيل الجهاز عند إحدى هذه النقاط الدقيقة، وجدوا أن الل المغزلي النووي يمكنه الخضوع لأكثر من 100 دورة قلب سريعة قبل حدوث أي فقدان كبير للمعلومات. هذا التوازن بين السرعة العالية والاستقرار العالي أمر بالغ الأهمية، إذ يشير إلى أن الطريقة يمكن أن تدعم العمليات عالية الدقة اللازمة للبوابات الكمومية الموثوقة. وتوضح الدراسة، التي تعتمد على حسابات ومحاكاة نظرية مفصلة بدلاً من التجارب الفيزيائية، أن مثل هذا النظام ممكن فيزيائيًا ضمن قيود تكنولوجيا السيليكون الحالية.

تمتد آثار هذا الاكتشاف إلى ما هو أبعد من ذرة واحدة. فإذا أمكن تنفيذ هذه الطريقة في جهاز فيزيائي، فإنها ستمهد الطريق لحواسيب كمومية قابلة للتوسع مبنية على السيليكون، وهي نفس المادة المستخدمة في مليارات الرقائق التي تشغل عالمنا الحديث. إن القدرة على التحكم في اللفات النووية بالكهرباء تمامًا تعني أنه يمكن توجيه هذه الكيوبتات بشكل فردي دون الحاجة إلى أسلاك مغناطيسية معقدة وضخمة، مما يقلل من خطر التداخل بين البتات المتجاورة. ورغم أن العمل لا يزال مقترحًا نظريًا، إلا أنه يرسم مسارًا واضحًا نحو مستقبل يمكن فيه تسخير اللفات النووية المستقرة وطويلة الأمد للأجهزة القائمة على السيليكون باستخدام سرعة ومرونة الهندسة الكهربائية. ويشير هذا النهج إلى أن التحدي طويل الأمد المتمثل في بطء التحكم في الل المغزلي النووي قد يجد أخيرًا حلاً قابلاً للتطبيق، مما يقرب حلم الحوسبة الكمومية واسعة النطاق والمقاومة للأخطاء من الواقع.