تراشه کوانتومی جدید به شبه ذرات عجیب و غریب ضربه می زند تا کیوبیت ها را برای برقراری ارتباط در فواصل طولانی وادار کند.

محققان نوع جدیدی از معماری به هم پیوسته را برای تراشه‌های محاسباتی کوانتومی توسعه داده‌اند و می‌تواند راه را برای ماشین‌هایی که قادر به پردازش در مقیاس بزرگ هستند، از جمله ماشین‌هایی با بیش از یک میلیون کیوبیت هموار کند.

در مطالعه‌ای که در 15 ژوئن در مجله APL Quantum منتشر شد، هدف دانشمندان حل یک مشکل بزرگ با واحدهای پردازش کوانتومی پیشرو (QPUs) بود: کیوبیت‌ها برای برقراری ارتباط و اشتراک‌گذاری اطلاعات کوانتومی با یکدیگر تلاش می‌کنند اگر همسایه‌های فوری نباشند.

به همین دلیل است که دانشمندان پیوندهای صوتی کوانتومی (QPLs) را پیشگام کردند - رویکردی برای جفت شدن دوربرد بین کیوبیت هایی که به فونون ها تکیه می کنند - شبه ذرات حامل انرژی ارتعاشی - برای انتقال اطلاعات. در مقابل، روش‌های مرسوم، مانند امواج صوتی سطحی - ارتعاشات صوتی با فرکانس بالا - به طراحی‌های پیچیده و سخت‌افزار اضافی نیاز دارند.

ماکسیم مایرونوف، دانشیار مواد و دستگاه های نیمه هادی در دانشگاه وارویک در بریتانیا و اولین نویسنده این مطالعه، در بیانیه ای گفت: «یکی از چالش های کلیدی در محاسبات کوانتومی اتصال کیوبیت دوربرد است. کار ما مفهوم جدیدی را معرفی می‌کند که در آن فونون‌ها به‌عنوان یک گذرگاه کوانتومی عمل می‌کنند و کیوبیت‌های دوردست را قادر می‌سازند تا اطلاعات کوانتومی را مبادله کنند در حالی که کاملا با فناوری نیمه‌رسانا سازگار هستند.»

در این مطالعه، دانشمندان گفتند امیدوارکننده‌ترین راه برای دستیابی به یک کامپیوتر کوانتومی که قادر به پردازش در مقیاس بزرگ است و از QPLs بهره می‌برد، یک روش کیوبیتی است که به عنوان «کیوبیت‌های اسپین حفره نیمه‌رسانا» شناخته می‌شود.

«حفره» در اینجا به عدم وجود الکترون در یک ماده اشاره دارد، اما می‌تواند مانند یک ذره عمل کند و حالت اسپینی داشته باشد - خاصیتی که برای رمزگذاری اطلاعات کوانتومی استفاده می‌شود - که در آن 1 و 0 داده‌ها با جهت حالت اسپین ذره نشان داده می‌شوند.

برای نشان دادن این فناوری، آنها یک نمونه اولیه QPU متشکل از سیلیکون با یک لایه کریستال ژرمانیوم نازک، یک ماده تخصصی که آن‌ها ژرمانیوم فشرده‌شده روی سیلیکون (cs-GoS) نامیدند، ایجاد کردند. به گفته دانشمندان، ژرمانیوم ماده ای بسیار مفید برای محاسبات کوانتومی است، زیرا دارای خواص طبیعی است که باعث کاهش ناهمدسی می شود - از بین رفتن اطلاعات کوانتومی به دلیل تداخل خارجی.

کیوبیت‌های اسپین حفره، زمان‌های انسجام کوانتومی طولانی - مدت زمانی که می‌توانند اطلاعات کوانتومی را حفظ کنند - با توانایی برقراری ارتباط با استفاده از تکانه‌های الکترونی در سیستم‌های کنترل ترکیب می‌کنند. اما آنها برای تشکیل پیوندها و به اشتراک گذاشتن اطلاعات کوانتومی با کیوبیت هایی که مستقیما با آنها همسایه نیستند، مبارزه می کنند. دانشمندان گفتند، برای مثال، در هر سیستم در مقیاس بزرگ، فعال کردن این "زوج کوانتومی" بین کیوبیت‌های دور برای تکنیک‌های تصحیح خطای کوانتومی برای کار موثر در وسعت یک سیستم عظیم ضروری است.

سایر روش‌های ارتباطی دوربرد پیشنهادی، مانند "شنت شارژ" - تغییر جهت خازن‌ها برای کاهش حساسیت به نویز شارژ، یا امواج صوتی سطحی - محدودیت‌های اساسی در مقیاس‌پذیری، هم از نظر اندازه و هم در حفظ انسجام دارند. اینجاست که QPL ها وارد می شوند.

QPLها موجبرها و حفره‌های صوتی مهندسی شده‌ای هستند که هم حالت‌های صوتی را در یک "چاه کوانتومی" ژرمانیومی تحت فشار فشاری محدود و هدایت می‌کنند، جایی که چاه کوانتومی یک لایه فوق نازک است که به عنوان راهنما عمل می‌کند.

در این مطالعه، محققان بر روی کیوبیت‌ها با استفاده از حفره‌های باند ظرفیت - عدم وجود الکترون در صفر مطلق - با استفاده از cs-GoS تمرکز کردند. با QPL ها، دانشمندان ارتعاشات صدا مانندی را از طریق مواد تخصصی ارسال کردند تا اطلاعات کوانتومی را بین کیوبیت های دور منتقل کنند.

داستان های مرتبط

دانشمندان به لطف معماری جدید محاسباتی مبتنی بر سیلیکون، «دقیق‌ترین» تراشه محاسباتی کوانتومی را ساخته‌اند.

محاسبات کوانتومی الهام گرفته از گربه شرودینگر به لطف کشف جدید اکنون 160 برابر قابل اعتمادتر است.

"مواد معجزه آسای کوانتومی" به لطف سوئیچینگ مغناطیسی تازه کشف شده می تواند اطلاعات را در یک بعد ذخیره کند

حالت‌های اسپین در این ماده به تغییر شکل‌های شبکه حساس هستند که کنترل دقیق و جفت شدن حالت‌های اسپین با انرژی ارتعاشی را ممکن می‌سازد. اساسا، این اجازه می دهد تا حالت اسپین از همتای الکترونی آن قابل تشخیص باشد و استراتژی های جفت صدا را قادر می سازد. تکنیکی که آنها به کار گرفتند امکان جفت مستقیم بین فونون ها و اسپین های حفره را فراهم کرد.

دانشمندان با استفاده از سرعت موج آهسته (سرعت یک ذره کوانتومی) و طول موج کوتاه برای تحریکات صوتی، از QPL برای اتصال کیوبیت هایی که کمتر از یک میکرومتر (یک هزارم میلی متر) و تا 300 میلی متر (11.8 اینچ) فاصله دارند، استفاده کردند.

دانشمندان در این مطالعه اشاره کردند که QPLها نه تنها برای محاسبات کوانتومی امیدوارکننده هستند. با استفاده از فونون ها به عنوان اتصالات، این تکنیک یک رابط همه کاره برای سیستم های کوانتومی ترکیبی ارائه می دهد - رایانه های معمولی با عملکرد محاسبات کوانتومی. این می تواند اتصال منسجم کیوبیت های اسپین نیمه هادی را با دیگر پلتفرم های کوانتومی، مانند محاسبات کوانتومی مبتنی بر ابر، امکان پذیر کند.

آنها افزودند که ترکیبی از مهندسی صدا و فیزیک حفره-اسپین، cs-GoS را به یک پلتفرم امیدوارکننده برای نسل بعدی معماری‌های کوانتومی تبدیل می‌کند، زیرا می‌تواند به جفت شدن منسجم دوربرد و ادغام در مقیاس بزرگ دست یابد.

آیا می توانید این وسایل باستانی را با تصاویر آنها مطابقت دهید؟ با مسابقه محاسباتی ما پیدا کنید!