ساخت اولین کیوبیت مکانیکی جهان بدون استفاده از نور یا الکترونیک

ساخت اولین کیوبیت مکانیکی جهان بدون استفاده از نور یا الکترونیک

دانشمندان اولین کیوبیت مکانیکی جهان را ساخته‌اند: یک سیستم کوچک و متحرک که اطلاعات کوانتومی را با استفاده از ارتعاشات ذخیره می‌کند، نه با استفاده از جریان‌های الکتریکی یا نور.
 
به گزارش نیوزلن و به نقل از لایوساینس، تاکنون، کیوبیت‌ها معمولاً از مدارهای ابررسانا، اتم‌های بارگذاری‌شده (یون‌ها) یا ذرات نور (فوتون‌ها) ساخته می‌شدند. اما گفته می‌شود کیوبیت مکانیکی جدید از فونون‌ها بهره می‌گیرد. فونون نوعی «کوازی‌ذره» است که از ارتعاشات در یک کریستال یاقوت کبود به طور دقیق مهندسی‌شده تولید می‌شود.
 
کوازی‌ذره مفهومی است که برای توصیف رفتار و تعاملات یک گروه از ذرات به کار می‌رود، گویی که این ذرات به‌عنوان یک ذره واحد عمل می‌کنند. در این مورد، فونون‌ها کوازی‌ذراتی هستند که در واقع به‌عنوان حاملان انرژی ارتعاشی عمل می‌کنند.
 
این پیشرفت می‌تواند راه را برای توسعه فناوری‌های حسگری بسیار حساس هموار کند که قادر به شناسایی نیروهایی همچون گرانش باشند، همچنین می‌تواند روش‌های جدیدی برای حفظ پایداری در رایانه‌های کوانتومی به مدت طولانی‌تر فراهم کند.
 

در همین رابطه بخوانید:

– کیوبیت چیست؟

– پایان بازی بیت‌کوین: محاسبات کوانتومی به بیت‌کوین (BTC) می‌آید

– الکترون‌هایی که قفل شده‌اند اما آزادند: یک پیشرفت کوانتومی در گرافن

سیستم‌های مکانیکی از لحاظ تاریخی در قالب کیوبیت، بسیار چالش‌برانگیز بوده‌اند؛ زیرا طبق اصول مکانیک کوانتومی، هیچ‌گاه کاملاً بی‌حرکت نیستند. این بدان معناست که همیشه حرکت‌های باقی‌مانده‌ای وجود دارد که باید در سطح کوانتومی کنترل و تنظیم شود تا سیستم به درستی کار کند.
 
همچنین، نوسان‌گرهای مکانیکی (دستگاه‌هایی که انرژی را به صورت فونون ذخیره و منتقل می‌کنند) معمولاً تحت ارتعاشات هارمونیک در سطوح انرژی با فواصل یکنواخت قرار دارند.

این موضوع چالش‌برانگیز است؛ چرا که فاصله یکنواخت این سطوح انرژی باعث می‌شود که جداسازی دو حالت انرژی مورد نیاز برای نمایش ۰ و ۱ کیوبیت دشوار شود.
 
اما دانشمندان این مشکل را با ایجاد یک سیستم «هیبریدی» حل کردند که یک رزوناتور کریستال یاقوت کبود با اندازه ۴۰۰ میکرومتر (۰.۴ میلی‌متر) را با یک کیوبیت ابررسانا ترکیب می‌کند و دو سیستم را به‌گونه‌ای تنظیم می‌کنند که در فرکانس‌های کمی متفاوت با یکدیگر تعامل داشته باشند.

هنگامی که رزوناتور و کیوبیت تعامل می‌کنند، حالت‌های کوانتومی آن‌ها با هم ترکیب می‌شود و سطوح انرژی در رزوناتور به‌طور ناسازگار (anharmonic) تغییر می‌کند.
 

این تغییر ناسازگار باعث می‌شود که پژوهشگران بتوانند دو حالت انرژی مجزا را ایزوله کرده و به‌طور مؤثر رزوناتور را به یک کیوبیت مکانیکی تبدیل کنند.
 
با اینکه کیوبیت مکانیکی می‌تواند اطلاعات کوانتومی را ذخیره و دستکاری کند، دقت سیستم (که معیاری است برای نشان دادن صحت انجام عملیات‌های کوانتومی)، تنها ۶۰ درصد ثبت شد. برای مقایسه، کیوبیت‌های ابررسانای پیشرفته اغلب دقت‌هایی بالای ۹۹ درصد دارند.
 
با این وجود، دانشمندان اشاره کردند که کیوبیت‌های مکانیکی ممکن است مزایای منحصر به فردی را ارائه دهند.

به‌عنوان مثال، این کیوبیت‌ها می‌توانند با نیروهایی مانند گرانش به شیوه‌ای تعامل کنند که دیگر سیستم‌های کوانتومی قادر به انجام آن نیستند، که آن‌ها را به کاندیداهای امیدوارکننده‌ای برای توسعه حسگرهای کوانتومی بسیار حساس تبدیل می‌کند.
 
گفتنی است کیوبیت‌های مکانیکی همچنین ممکن است قادر به ذخیره اطلاعات کوانتومی برای مدت زمان طولانی‌تری باشند.

این موضوع برای حفظ هم‌پوشانی (یا coherence که معیاری است برای سنجش مدت زمانی که یک سیستم می‌تواند به طور پایدار بماند و محاسباتی با داده‌های کوانتومی انجام دهد بدون اینکه تحت تأثیر تداخل‌های خارجی قرار گیرد)، بسیار حیاتی است.
 

پژوهشگران در حال حاضر در تلاشند تا چندین کیوبیت مکانیکی را به‌طور هم‌زمان به هم متصل کرده و محاسبات ابتدایی را انجام دهند. آنها اظهار می‌دارند که این اقدام می‌تواند گامی مهم به سوی کاربردهای عملی برای این فناوری باشد.
 
کیوبیت‌های مکانیکی ممکن است در مقایسه با کیوبیت‌های دیگر، کاربردهای خاص و بسیار جالبی پیدا کنند. برای مثال، می‌توانند به‌طور خاص با پدیده‌های فیزیکی در مقیاس‌های میکروسکوپی مانند گرانش تعامل کنند.

این ویژگی می‌تواند زمینه‌ساز توسعه حسگرهای گرانشی بسیار دقیق باشد که قادرند تغییرات کوچک در میدان‌های گرانشی را تشخیص دهند.