اپتیک و کوانتوم

در مقاله‌ای که در Nature Communications منتشر شده است، پژوهشگران نحوه استفاده از 16 حالت کوانتومی اتم آنتیموان را برای رمزگذاری اطلاعات کوانتومی توضیح می‌دهند. آنتیموان یک اتم سنگین است که می‌تواند در یک تراشه سیلیکونی کاشته شود و جایگزین یکی از اتم‌های سیلیکون موجود شود. این به این دلیل انتخاب شد که هسته آن دارای هشت حالت کوانتومی مجزا است، به اضافه یک الکترون با دو حالت کوانتومی، که در مجموع 8 × 2 = 16 حالت کوانتومی، همه فقط در یک اتم، ایجاد می‌کند. رسیدن به همان تعداد حالت با استفاده از بیت‌های کوانتومی ساده - یا کیوبیت‌ها، واحد پایه اطلاعات کوانتومی - مستلزم ساخت و جفت‌شدگی چهار مورد از آنها است.

نویسنده اصلی Irene Fernandez de Fuentes می‌گوید که تیم تحت هدایت پروفسور Scientia آندریا مورلو، از کار بیش از یک دهه استفاده کردند که روش‌های مختلفی برای کنترل کوانتومی ایجاد کرده بود تا نشان دهد که همه آنها در یک اتم ممکن است. اتم آنتیموان توسط همکاران دانشگاه ملبورن با استفاده از امکانات شتاب‌دهنده‌های یون سنگین در دانشگاه ملی استرالیا در تراشه کاشته شد. او می‌گوید: «اول، ما نشان دادیم که می‌توانیم الکترون آنتیموان را با یک میدان مغناطیسی نوسانی کنترل کنیم، مشابه پیشرفت در سال 2012 که اولین بار بود که یک کیوبیت در سیلیکون نشان داده شد. بعد نشان دادیم که می‌توانیم از یک میدان مغناطیسی برای دستکاری چرخش هسته آنتیموان استفاده کنیم. این روش رزونانس مغناطیسی استاندارد است، همانطور که به عنوان مثال در دستگاه های MRI در بیمارستان‌ها استفاده می‌شود. روش سوم کنترل هسته اتم آنتیموان بود. با میدان الکتریکی، چیزی که در سال 2020 به طور تصادفی کشف شد. و راه چهارم کنترل هر دو هسته آنتیموان و الکترون در تقابل با یکدیگر با استفاده از میدان الکتریکی با استفاده از کیوبیت‌های به اصطلاح فلیپ فلاپ بود که این تیم سال گذشته نشان داد. این آزمایش اخیر نشان می‌دهد که هر چهار روش را می‌توان در یک تراشه سیلیکونی با استفاده از معماری یکسان استفاده کرد.»

مزیت چهار روش مختلف این است که هر روش به مهندسان کامپیوتر و فیزیکدانان، انعطاف بیشتری در هنگام طراحی تراشه‌های محاسباتی کوانتومی آینده می‌دهد. به عنوان مثال، تشدید مغناطیسی سریعتر از رزونانس الکتریکی است، اما میدان مغناطیسی به طور گسترده در فضا پخش می‌شود، بنابراین ممکن است بر اتم‌های مجاور نیز تأثیر بگذارد. تشدید الکتریکی، در حالی‌که کندتر است، می‌تواند به صورت بسیار موضعی برای انتخاب یک اتم خاص بدون تأثیر بر هیچ یک از همسایگان آن اعمال شود.

پروفسور مورلو می گوید: «با این اتم بزرگ آنتیموان، ما انعطاف کاملی در مورد نحوه ادغام آن با یک ساختار کنترلی روی یک تراشه سیلیکونی داریم.» رایانه‌های کوانتومی آینده میلیون‌ها، اگر نگوییم میلیاردها کیوبیت خواهند داشت که به طور همزمان اعداد را به هم می‌ریزند و مدل‌هایی را در عرض چند دقیقه شبیه‌سازی می‌کنند که تکمیل ابررایانه‌های امروزی صدها یا حتی هزاران سال طول می‌کشد. در حالی‌که برخی از تیم‌ها در سراسر جهان با تعداد زیادی کیوبیت پیشرفت کرده‌اند، مانند مدل 70 کیوبیت گوگل یا نسخه IBM که بیش از 1000 کیوبیت دارد، آنها به فضاهای بسیار بزرگتری نیاز دارند تا کیوبیت‌ها بدون تداخل با یکدیگر کار کنند. اما رویکردی که پروفسور مورلو و سایر همکارانش در UNSW اتخاذ کرده‌اند، طراحی محاسبات کوانتومی با استفاده از فناوری در حال استفاده برای ساخت رایانه‌های معمولی است. در حالی‌که پیشرفت ممکن است از نظر تعداد کیوبیت‌های کاری کندتر باشد، مزیت استفاده از سیلیکون به این معنی است که می‌توان میلیون‌ها کیوبیت در یک میلی‌متر مربع تراشه داشت.

پروفسور مورلو می‌گوید: «ما در حال سرمایه‌گذاری روی فناوری سخت‌تر و کندتر هستیم، اما به دلایل بسیار خوبی، یکی از آن‌ها تراکم شدید اطلاعاتی است که می‌تواند از عهده آن برآید». داشتن 25 میلیون اتم در یک میلی‌متر مربع بسیار خوب است، اما باید آنها را یکی یکی کنترل کنید. داشتن انعطاف‌پذیری انجام این کار با میدان‌های مغناطیسی، یا میدان‌های الکتریکی یا هر ترکیبی از آنها، به ما توانایی‌های زیادی می‌دهد. در مرحله بعد، این گروه از فضای محاسباتی بزرگ اتم آنتیموان برای انجام عملیات کوانتومی که بسیار پیچیده‌تر از کیوبیت‌های ساده هستند، استفاده خواهد کرد. آنها قصد دارند یک کیوبیت «منطقی» در اتم رمزگذاری کنند - کیوبیتی که بر بیش از دو سطح کوانتومی ساخته شده است تا به اندازه کافی افزونگی برای شناسایی و تصحیح خطاها در زمان وقوع داشته باشند. پروفسور مورلو می گوید: «این مرز بعدی برای سخت‌افزار کاربردی و مفید کامپیوتر کوانتومی است.» توانایی ساخت یک کیوبیت منطقی تصحیح شده با خطا در یک اتم، فرصت فوق‌العاده‌ای برای افزایش مقیاس سخت‌افزار کوانتومی سیلیکونی تا جایی است که از نظر تجاری مفید باشد.

Irene Fernández de Fuentes et al, Navigating the 16-dimensional Hilbert space of a high-spin donor qudit with electric and magnetic fields, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-45368-y