یک جهش بزرگ محاسبات کوانتومی با پیچش مغناطیسی – “یک پارادایم جدید”

تیمی به رهبری دانشگاه واشنگتن با شناسایی حالت‌های هال غیرعادی کوانتومی کسری در تکه‌های مواد نیمه‌رسانا، که می‌تواند در ایجاد کیوبیت‌های پایدار و مقاوم به خطا مؤثر باشد، به یک پیشرفت کلیدی در محاسبات کوانتومی دست یافته است.

محاسبات کوانتومی می تواند دنیای ما را متحول کند. برای کارهای خاص و حیاتی، نوید می دهد که به طور تصاعدی سریعتر از فناوری صفر یا یک دوتایی که زیربنای ماشین های امروزی است، از ابررایانه ها در آزمایشگاه ها تا گوشی های هوشمند در جیب ما، باشد. اما توسعه کامپیوترهای کوانتومی به ایجاد شبکه ای پایدار از کیوبیت ها – یا بیت های کوانتومی – برای ذخیره اطلاعات، دسترسی به آن و انجام محاسبات وابسته است.

پلتفرم‌های کیوبیتی

با این حال پلتفرم‌های کیوبیتی که تا به امروز رونمایی شده‌اند یک مشکل مشترک دارند: آن‌ها نسبت به اختلالات بیرونی حساس و آسیب‌پذیر هستند. حتی یک فوتون سرگردان می تواند مشکل ایجاد کند. توسعه کیوبیت‌های مقاوم به خطا – که در برابر اغتشاشات خارجی مصون هستند – می‌تواند راه‌حل نهایی برای این چالش باشد.

در یک جفت مقاله که در 14 ژوئن در Nature و 22 ژوئن در Science منتشر شد، آنها گزارش کردند که در آزمایش‌هایی با تکه‌های مواد نیمه‌رسانا – که هر یک تنها یک لایه اتم ضخیم دارند – نشانه‌هایی از “هال غیرعادی کوانتومی کسری” (FQAH) را شناسایی کردند. ) ایالت ها. اکتشافات این تیم اولین و امیدوارکننده گام در ساخت نوعی کیوبیت مقاوم در برابر خطا است، زیرا حالت‌های FQAH می‌توانند میزبان هر کسی باشند – «شبه ذرات» عجیبی که تنها کسری از بار الکترون را دارند. برخی از انواع آنیون‌ها را می‌توان برای ساخت کیوبیت‌های «محافظت‌شده توپولوژیکی» استفاده کرد که در برابر هر گونه اختلال محلی و کوچک پایدار هستند.

Xiaodong Xu، محقق اصلی این اکتشافات، که همچنین استاد برجسته فیزیک بوئینگ و استاد علوم و مهندسی مواد در UW است، گفت: “این واقعا یک الگوی جدید برای مطالعه فیزیک کوانتومی با تحریکات کسری در آینده ایجاد می کند.”

سیستم های دو بعدی

حالت های FQAH مربوط به حالت هال کوانتومی کسری است، مرحله ای عجیب از ماده که در سیستم های دو بعدی وجود دارد. در این حالت ها، رسانایی الکتریکی به کسری دقیق از یک ثابت که کوانتوم رسانایی نامیده می شود، محدود می شود. اما سیستم‌های هال کوانتومی کسری معمولاً به میدان‌های مغناطیسی عظیم نیاز دارند تا آنها را پایدار نگه دارند که آنها را برای کاربرد در محاسبات کوانتومی غیرعملی می‌سازد.

میزبانی از چنین فاز عجیب و غریبی از ماده، محققین را ملزم به ساخت یک شبکه مصنوعی با ویژگی های عجیب و غریب می کرد. آنها دو ورقه نازک اتمی از ماده نیمه هادی مولیبدن دیتلورید (MoTe2) را در زوایای “پیچش” کوچک و متقابل نسبت به یکدیگر روی هم چیدند… این پیکربندی یک “شبکه لانه زنبوری” مصنوعی برای الکترون ها تشکیل داد. هنگامی که محققان برش های روی هم را تا چند درجه بالای صفر مطلق خنک کردند، یک مغناطیس ذاتی در سیستم ایجاد شد. مغناطیس ذاتی جای میدان مغناطیسی قوی را می گیرد که معمولاً برای حالت هال کوانتومی کسری لازم است. محققان با استفاده از لیزر به عنوان کاوشگر… نشانه هایی از اثر FQAH را شناسایی کردند که یک گام بزرگ به جلو در باز کردن قدرت هریون برای محاسبات کوانتومی است.

کامپیوترهای کوانتومی

این تیم – که همچنین شامل دانشمندان دانشگاه هنگ کنگ، موسسه ملی علوم مواد در ژاپن، کالج بوستون و موسسه فناوری ماساچوست است… سیستم خود را به عنوان یک پلت فرم قدرتمند برای توسعه درک عمیق تر از هر کسی در نظر می گیرند که بسیار خواص متفاوت از ذرات روزمره مانند الکترون ها… Anyon ها شبه ذرات هستند – یا “تحریک های” ذره مانند – که می توانند به عنوان کسری از یک الکترون عمل کنند. محققان امیدوارند در کار آینده با سیستم آزمایشی خود… نسخه عجیب‌تری از این نوع شبه ذره را کشف کنند: آنیون‌های «غیر آبلی»، که می‌توانند به عنوان کیوبیت‌های توپولوژیکی استفاده شوند.

اریک اندرسون… دانشجوی دکترای فیزیک UW… که نویسنده اصلی مقاله Science و نویسنده ارشد مقاله Nature است… درباره  یک پیشرفت کلیدی در محاسبات کوانتومی می گوید: «این نوع کیوبیت توپولوژیکی اساساً با آنهایی که اکنون می توان ایجاد کرد متفاوت است. رفتار عجیب افراد غیر آبلی آنها را به عنوان یک پلت فرم محاسباتی کوانتومی بسیار قوی تر می کند.

برای دیدن محصولات بیشتر میتوانید به سایت اینترنتی YASASTORE مراجعه فرمایید.