دوائر التدفق الكمي

قام الباحثون ببناء مكون يعمل على تضخيم الإشارات الكمومية التي يمكن استخدامها لترقية قدرات الحوسبة الكمومية

سوف يعتمد الكمبيوتر الكمي، الذي يسعى العديد من العلماء إلى تطويره، على ميكانيكا الكم - وهي نظرية فيزيائية تصف سلوك الطبيعة على نطاق صغير جدًا. أي عالم الجزيئات. البنية التحتية الرائدة للحوسبة الكمومية هي الدوائر الكهربائية فائقة التوصيل (التي توصل التيار الكهربائي دون مقاومة)، ومبدأ عملها الرئيسي هو التراكب - وهي ظاهرة كمومية يمكن أن يكون فيها نظام واحد في حالتين في نفس الوقت. في الكمبيوتر الكمي، هذا النظام هو الكيوبت - البت الكمي - والذي يمكن أن يكون 0 و1 في نفس الوقت (على عكس البتات الموجودة في الكمبيوتر العادي والتي يمكن أن تكون في حالة تشغيل واحدة في المرة الواحدة، 0 أو 1). ). ولذلك فإن لديها قوة حسابية محتملة هائلة.

ما هو السؤال؟ كيف يمكن الحفاظ على المعلومات التي تمر عبر أجهزة الكمبيوتر الكمومية؟

البروفيسور نداف كاتس من كلية الرياضيات والعلوم الطبيعية في الجامعة العبرية يبحث في معالجة المعلومات وتخزينها في أنظمة الحوسبة الكمومية. ومن خلال القيام بذلك، يقوم بتطوير المكونات الأساسية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية ويفحص خصائصها والمواد التي تتكون منها. ووفقا له، "إن معالجة المعلومات والحفاظ عليها في الحوسبة الكمومية - مثل التدفق الكهربائي للإلكترونات في الدائرة، على سبيل المثال في اتجاه عقارب الساعة، أو عكس اتجاه عقارب الساعة أو في وقت واحد (كتراكب) في كلا الاتجاهين - يعتمد على جودة المكونات. في بحثي، أقوم بفحص نوع جديد من المكونات، الموصلات الفائقة التي يمكن أن تحل محل تلك المستخدمة حاليًا في الحوسبة الكمومية، والتي لها خصائص يمكن أن تساهم في نقل المعلومات الكمومية وتقليل الأخطاء في هذه العملية. في الشكل العلوي: المضخم الكمي الذي بناه الباحثون - طبقة مصممة لبنية نانومترية للموصل الفائق التنغستن والسيليكون (بني) على ركيزة سيليكون (رمادي) وفوق ذلك طبقة عازلة نانومترية من السيليكون غير المتبلور (برتقالي) ) وطبقة ألومنيوم فائقة التوصيل (أزرق فاتح). في الشكل السفلي: تضخيم الإشارات الكمومية

في دراستهم الأخيرة، التي فازت بمنحة بحثية من مؤسسة العلوم الوطنية، سعى البروفيسور كاتز وفريقه إلى استبدال وصلة جوزيفسون - وهي مكون أساسي في البنية التحتية لأي كمبيوتر كمي فائق التوصيل - بمكونات كمومية أبسط (فائقة التوصيل). يتكون مكون جوزيفسون من وحدتين من الألومنيوم (موصلات فائقة) مع طبقة رقيقة من الأكسيد (مادة عازلة) بينهما. نشأت إمكانية استبداله بمكونات أخرى لأنه في كثير من الأحيان يتم العبث بالمعلومات الكمومية داخل الأكسيد. على سبيل المثال، يتم تدمير التراكب وتحدث ضوضاء تضر بجودة الحالة الكمومية مع مرور الوقت. أي أن عيب هذا المكون يضر بالقدرة على بناء حوسبة كمومية متقدمة.

ووفقاً لهذا، قام الباحثون ببناء مكون جديد، وهو موصل فائق يتكون من معدن التنغستن (ولفرام) والسيليكون ويجعل من الممكن إنشاء دوائر تدفق كمي. لقد صمموه باستخدام الطباعة الحجرية وطرق هضم الطبقات والترسيب. وهكذا، من خلال تبخر المواد وعمليات الإنتاج الحجرية النانوية، قاموا بإنشاء هيكل لمضخم الموجات الدقيقة الكمي المحدود ووضعه على شريحة السيليكون. "لقد اخترنا هذه المواد لأنها كاشفات معروفة للفوتونات الضوئية. "كنا نأمل أن يتمكنوا من العمل في الدوائر التي تشكل الحوسبة الكمومية"، يوضح البروفيسور كاتز.

قام الباحثون بتطبيق المكون في نموذج كمبيوتر كمي يحتوي على عدد صغير من الكيوبتات، ووضعوه بالقرب من الكيوبتات، واكتشفوا أنه يضخم الإشارات الكمومية 100 مرة قوتها الأصلية. الإشارات الكمومية هي، على سبيل المثال، الموجات الدقيقة (الفوتونات) التي يتم احتجازها وتتحرك في شرائح الكمبيوتر وتتقدم من نقطة إلى أخرى. عندما يتم تضخيمها، يمكن قياس الكيوبتات وبالتالي فحص حالة الكمبيوتر الكمي. وبحسب البروفيسور كاتز، فإن "قياس الكيوبتات جزء أساسي من توصيف الحوسبة الكمومية واستخدامها والمعلومات التي تمر عبرها، ويعتمد بشكل أساسي على تضخيم الإشارات الكمومية. لذلك، قمنا بإنشاء مضخم كمي يمكنه ترقية قدرات الحوسبة هذه."

قام الباحثون ببناء مكون جديد، وهو موصل فائق يجعل من الممكن إنشاء دوائر التدفق الكمي. لقد صمموها باستخدام أساليب الطباعة الحجرية، وبالتالي خلق هيكل لمضخم الموجة الكمومية.

اكتشف الباحثون أيضًا أنه في ظل ظروف تشغيل معينة، يمكن للمكون الجديد أن ينقل موجات ميكروويف مع التشابك الكمي - وهي ظاهرة يمكن فيها لجسمين منفصلين التعبير عن ارتباط قوي حتى بدون تبادل المعلومات بينهما، مما يتيح إجراء قياسات كمية دقيقة وحساسة. ولذلك، فهم يأملون أن يتم استخدام هذا المكون أيضًا في المستقبل للقياسات ونقل المعلومات والتشفير الكمي من نوع جديد.

الحياة نفسها:

البروفيسور نداف كاتس، 46 سنة، متزوج + أربعة، يسكن في القدس. ناشطة بيئية في قنوات مختلفة (مع التركيز على الطاقة الخضراء)، بما في ذلك منتدى الطاقة الإسرائيلي. يحب السفر وقراءة الخيال العلمي والسير الذاتية والفلسفة والاستماع إلى الموسيقى الكلاسيكية وحل الألغاز المنطقية.

ابن آخر