آزمایش از پایه های نظری برای محاسبات کوانتومی بالقوه مقاوم تر در برابر خطا پشتیبانی می کند

ویرایش شده توسط Swati Mestri، بررسی توسط اندرو زینین

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

یکی از روش‌های ذخیره‌سازی اطلاعات در محاسبات کوانتومی کمتر مستعد خطا است که به عنوان محاسبات کوانتومی توپولوژیکی شناخته می‌شود. متکی به حالت های کوانتومی خاصی است که انتظار می رود در برابر اختلالات محلی مقاوم تر باشند.

اکنون فیزیکدانان دانشگاه کلن حالت‌های کوانتومی را مشاهده کرده‌اند که در یک سیستم مادی که برای این رویکرد امیدوارکننده در نظر گرفته می‌شود، مطابق پیش‌بینی‌ها رفتار می‌کنند.

یافته‌های آن‌ها که تحت عنوان «طیف‌سنجی تونل‌سازی اتصالات جوزفسون عایق توپولوژیکی» در Science Advances منتشر شده است، از توصیف نظری چگونگی تعامل ابررسانایی با سطح یک عایق توپولوژیکی پشتیبانی می‌کند.

عایق های توپولوژیکی موادی هستند که الکتریسیته را در فضای داخلی خود هدایت نمی کنند بلکه آن را در امتداد سطوح خود هدایت می کنند. هنگامی که با یک ابررسانای معمولی ترکیب می‌شوند، حالت‌های سطحی آن‌ها برای پشتیبانی از شکل خاصی از ابررسانایی به نام ابررسانایی توپولوژیکی پیش‌بینی می‌شود. در صورت تحقق، این می‌تواند مسیری برای حالت‌های صفر مایورانا فراهم کند، حالت‌های کوانتومی برای استفاده بالقوه آنها در بیت‌های کوانتومی توپولوژیکی یا کیوبیت‌ها بررسی می‌شوند. نشان دادن و کنترل آزمایشی این حالت ها همچنان یک چالش است.

برای بررسی رفتار پیش‌بینی‌شده، دکتر جاکوب شلاک، الا نیکودم (کارشناس ارشد) و همکارانش در کلن آزمایشگاه ماده توپولوژیکی، به سرپرستی پروفسور یوچی آندو، ساختاری به نام اتصال جوزفسون را مطالعه کردند. از دو ابر رسانا تشکیل شده است که توسط یک ناحیه غیر ابررسانا به هم متصل شده اند. محققان با استفاده از طیف‌سنجی تونلی، حالات کوانتومی داخل پیوند را بررسی کردند و در عین حال اختلاف فاز بین دو ابررسانا را تغییر دادند.

این تیم حالت‌های آندریف بسیار انتقالی را مشاهده کردند که وقتی الکترون‌ها و حفره‌ها در یک اتصال ابررسانا برهم کنش می‌کنند، شکل می‌گیرند. این حالت ها در طیف وسیعی از چگالی های حامل بار ظاهر می شوند که با رفتار پیش بینی شده الکترون ها در سطح عایق توپولوژیکی سازگار است. هنگامی که محققان یک میدان مغناطیسی را اعمال کردند، همانطور که تئوری پیش بینی می کند، متوجه شدند که این حالت ها در مناطق خاصی از اتصال متمرکز شده اند.

آندو می‌گوید: «درک نحوه تعامل ابررسانایی با خواص الکترونیکی متمایز عایق‌های توپولوژیکی برای ارزیابی پتانسیل آنها برای محاسبات کوانتومی توپولوژیکی ضروری است.

نتایج تجربی با پیش‌بینی‌های نظری مبتنی بر مدل ارائه‌شده توسط لیانگ فو و چارلز کین در سال 2008 و همچنین شبیه‌سازی‌های عددی انجام‌شده توسط گروه پروفسور فابیان هاسلر در دانشگاه RWTH آخن مطابقت دارد.

نیکودم می‌افزاید: "بسیار هیجان‌انگیز است که ببینیم نتایج تجربی ما با پیش‌بینی‌های نظری همسو می‌شوند. این از نظر کاربردهای آینده در محاسبات کوانتومی بسیار دلگرم‌کننده است."

یک سوال مهم همچنان باز است: آیا حالت های مشاهده شده دچار بسته شدن و بازگشایی پیش بینی شده شکاف انرژی می شوند؟ چنین تغییری می تواند انتقال به ابررسانایی توپولوژیکی را نشان دهد که در آن حالت های کوانتومی خاصی ممکن است در برابر اختلالات محلی محافظت شوند. این حفاظت یکی از دلایلی است که محاسبات کوانتومی توپولوژیکی را مسیری امیدوارکننده به سوی بیت‌های کوانتومی قوی‌تر در نظر می‌گیرد.

در آزمایش فعلی، انتقال باید با اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر تأیید شود. Schluck توضیح می دهد: "برای نشان دادن انتقال فاز توپولوژیکی در این سیستم، ما نیاز به بهبود وضوح انرژی و زمان آزمایش داریم - این گام بعدی در نقشه راه آزمایشگاه آندو است."

Jakob Schluck و همکاران، طیف سنجی تونل زنی اتصالات جوزفسون عایق توپولوژیکی، پیشرفت علم (2026). DOI: 10.1126/sciadv.aeg0687

سواتی مستری دارای مدرک لیسانس در مهندسی الکترونیک است و از سال 2019 به عنوان ویرایشگر محتوا کار کرده است. او ویرایش اسناد تحقیقاتی در زمینه فناوری، مراقبت های بهداشتی و علم مواد را تجربه کرده است و علاقه خاصی به فناوری و فضا دارد. نمایه کامل →

فوق لیسانس فیزیک با تجربه تحقیق. علاقه مندان به اخبار علمی طولانی مدت. نقش کلیدی در موفقیت سرمقاله Science X ایفا می کند. نمایه کامل →