Superconducting qubit based on altermagnets
यह शोधपत्र सुपरकंडक्टर-अल्टरमैग्नेट-सुपरकंडक्टर जंक्शनों पर आधारित उच्च-प्रदर्शन वाले सुपरकंडक्टिंग क्वबिट्स की एक नई श्रेणी प्रस्तावित करता है जो बड़े एनहार्मोनिसिटी (anharmonicity) और कोहेरेंट टू-कूपर-पेयर टनलिंग के माध्यम से चार्ज और फ्लक्स शोर के विरुद्ध अंतर्निहित सुरक्षा प्राप्त करने के लिए प्रोग्राम करने योग्य जोसेफसन पोटेंशियल का लाभ उठाते हैं।
मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
एक शक्तिशाली क्वांटम कंप्यूटर बनाने की खोज में, वैज्ञानिक एक आदर्श स्विच बनाने की दौड़ में लगे हैं, जो एक ऐसा सूक्ष्म उपकरण है जो सूचना के एक टुकड़े को एक साथ 'ऑन' और 'ऑफ' दोनों की नाजुक अवस्था में रख सके। इस काम के लिए सबसे आशाजनक उम्मीदवार सुपरकंडक्टिंग क्वबिट्स (superconducting qubits) हैं, जो ऐसे पदार्थों से बने सर्किट हैं जो शून्य प्रतिरोध के साथ बिजली का संचालन करते हैं। इन सर्किटों को स्विच के रूप में कार्य करने के लिए, वे जोसेफसन जंक्शन (Josephson junction) नामक एक विशेष अवरोध पर निर्भर करते हैं। यह अवरोध एक द्वार की तरह कार्य करता है जो इलेक्ट्रॉनों के जोड़ों, जिन्हें कूपर पेयर्स (Cooper pairs) कहा जाता है, को इसके माध्यम से टनल करने की अनुमति देता है, जिससे एक गैर-रेखीय व्यवहार उत्पन्न होता है जो क्वबिट के कार्य करने के लिए आवश्यक है। हालाँकि, ये नाजुक सर्किट अपने परिवेश से आसानी से विचलित हो जाते हैं। विद्युत आवेश या चुंबकीय क्षेत्रों में सूक्ष्म उतार-चढ़ाव सूचना को लीक कर सकते हैं, जिसे डिकोहेरेंस (decoherence) की समस्या कहा जाता है। इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने वर्षों तक उन ऊर्जा परिदृश्य (energy landscape) के आकार को इंजीनियर करने में समय बिताया है जिसमें ये सर्किट स्थित होते हैं, इस उम्मीद में कि उन्हें एक ऐसा डिज़ाइन मिल सके जो स्थिर भी हो और जिसे नियंत्रित करना भी आसान हो।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब जंक्शन के हृदय में एक पहले से अनदेखे प्रकार के चुंबकीय पदार्थ को शामिल करके इन स्विचों को बनाने का एक नया तरीका प्रस्तावित किया है। यह पदार्थ, जिसे अल्टरमैग्नेट (altermagnet) कहा जाता है, एक अद्वितीय गुण रखता है: इसमें एक चुंबकीय व्यवस्था होती है जो इलेक्ट्रॉनों के स्पिन को उनकी गति की दिशा के आधार पर विभाजित करती है, फिर भी इसमें कोई समग्र चुंबकीय क्षेत्र नहीं होता है। यह एक महत्वपूर्ण अंतर है क्योंकि पारंपरिक चुंबक आमतौर पर ऐसे बिखरे हुए क्षेत्रों (stray fields) को उत्पन्न करते हैं जो सुपरकंडक्टिविटी को नष्ट कर देते हैं, लेकिन अल्टरमैग्नेट इस समस्या से पूरी तरह बच जाते हैं। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि दो सुपरकंडक्टर्स के बीच इस अल्टरमैग्नेट की एक पतली परत को सैंडविच बनाकर, वे जंक्शन के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह को सटीक रूप से आकार दे सकते हैं। उन्होंने प्रदर्शित किया कि चुंबकीय परत की मोटाई और इसकी आंतरिक संरचना के संरेखण को समायोजित करके, वे एक ऐसा जंक्शन बना सकते हैं जो मानक सामग्रियों के साथ पहले असंभव व्यवहार प्रदर्शित करता है।
उनकी खोज का मूल यह है कि ये जंक्शन इलेक्ट्रॉन जोड़ों के टनलिंग को कैसे संभालते हैं। एक सामान्य जंक्शन में, इलेक्ट्रॉन एक बार में एक जोड़े के रूप में टनल करते हैं। इस नए डिज़ाइन में, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि जंक्शन को इस तरह ट्यून किया जा सकता है कि वह इलेक्ट्रॉनों के दो जोड़ों को एक एकल इकाई के रूप में एक साथ टनल करने की अनुमति दे। यह प्रक्रिया, जिसे डबल-कूपर-पेयर टनलिंग (double-Cooper-pair tunneling) कहा जाता है, क्वबिट के ऊर्जा परिदृश्य को मौलिक रूप से बदल देती है। यह एक ऐसा विभव कूप (potential well) बनाता है जो सामान्य की तुलना में बहुत अधिक तीव्र और विशिष्ट है, जो एक वांछनीय विशेषता है क्योंकि यह क्वबिट के ऊर्जा स्तरों को अधिक व्यापक रूप से फैला देता है। यह अंतराल, जिसे एनहारमोनिसिटी (anharmonicity) कहा जाता है, यह सुनिश्चित करने के लिए महत्वपूर्ण है कि कंप्यूटर गलती से तीसरे, अवांछित राज्य में कूदने के बिना शून्य और एक अवस्थाओं के बीच अंतर कर सके।
शायद सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्ष यह है कि यह डिज़ाइन क्वबिट को शोर (noise) से कैसे बचाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि एक विशिष्ट विन्यास में, क्वबिट के क्वांटम अवस्थाएं 'पैरिटी' (parity) नामक एक गुण विकसित करती हैं, जो विद्युत आवेश के उतार-चढ़ाव के विरुद्ध एक ढाल के रूप में कार्य करती है। इस अवस्था में, क्वबिट उस सामान्य प्रकार के विद्युत शोर के प्रति पूरी तरह से असंवेदनशील हो जाता है जो आमतौर पर त्रुटियों का कारण बनता है। यह सुरक्षा केवल एक मामूली सुधार नहीं है; सिमुलेशन बताते हैं कि यह पूर्ण हो सकती है, जो प्रभावी रूप से त्रुटि के एक प्रमुख स्रोत को शांत कर देती है जो अन्य प्रकार के सुपरकंडक्टिंग क्वबिट्स को प्रभावित करता है। इसके अलावा, टीम ने दिखाया कि एक छोटा बाहरी चुंबकीय फ्लक्स लागू करके इस सुरक्षा को चालू और बंद किया जा सकता है या इसे समायोजित किया जा सकता है, जिससे इंजीनियरों को डिवाइस की संवेदनशीलता और प्रदर्शन को नियंत्रित करने के लिए एक नया डायल मिलता है।
शोधकर्ताओं ने इन नए जक्शनों का उपयोग करके एक पूर्ण सर्किट बनाने की संभावनाओं का भी पता लगाया। उन्होंने एक डिज़ाइन प्रस्तावित किया जहाँ इन विशेष जक्शनों को एक लूप में जोड़ा जाता है, जो एक मानक सुपरकंडक्टिंग क्वांट interference डिवाइस (SQUID) के समान है, लेकिन इसमें लूप के चुंबकीय गुणों को ट्यून करने की अतिरिक्त क्षमता है। यह सेटअप क्वबिट की आवृत्ति और शोर के प्रति प्रतिरोध को एक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र द्वारा नियंत्रित करने की अनुमति देता है। हालांकि यह लूप जोड़ने से चुंबकीय शोर के प्रति एक नई संवेदनशीलता आती है, टीम ने दिखाया कि सही ऑपरेटिंग पॉइंट चुनकर, इस संवेदनशीलता को न्यूनतम किया जा सकता है। परिणाम एक बहुमुखी मंच है जहाँ चुंबकीय पदार्थ स्वयं एक प्रोग्राम करने योग्य उपकरण बन जाता है, जिससे वैज्ञानिकों को उच्च-प्रदर्शन वाले क्वांटम बिट के लिए आवश्यक सटीक व्यवहार को इंजीनियर करने की अनुमति मिलती है।
यह कार्य क्वांटम कंप्यूटिंग हार्डवेयर के लिए एक नए मार्ग का सुझाव देता है। सुपरकंडक्टर्स की स्थिरता को अल्टरमैग्नेट्स के अद्वितीय स्पिन-स्प्लिटिंग गुणों के साथ जोड़कर, शोधकर्ताओं ने ऐसे क्वबिट्स के लिए एक द्वार खोल दिया है जो अत्यधिक स्थिर और अत्यधिक नियंत्रणीय दोनों हैं। सिमुलेशन संकेत देते हैं कि ये उपकरण लंबी कोहेरेंस अवधि (coherence times) प्रदान कर सकते हैं, जिसका अर्थ है कि वे सूचना को लंबे समय तक रख सकते हैं, और साथ ही वे उस विद्युत शोर के विरुद्ध मजबूत हैं जो आमतौर पर वर्तमान तकनीक को सीमित करता है। यह अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि उन्होंने एक कामकाजी कंप्यूटर बनाया है, बल्कि यह एक विस्तृत ब्लूप्रिंट प्रदान करता है कि ऐसे उपकरण का निर्माण कैसे किया जा सकता है। यह स्थापित करता है कि अल्टरमैग्नेट्स अगली पीढ़ी के क्वांटम उपकरणों के लिए एक शक्तिशाली नया घटक हैं, जो क्वांटम सूचना की जरूरतों के अनुरूप एक सर्किट में इलेक्ट्रॉनों की गति के नियमों को इंजीनियर करने का एक तरीका प्रदान करते हैं।
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