اپتیک و کوانتوم

کیوبیت‌ها تاکنون با استفاده از سیستم‌های فیزیکی مختلف، از الکترون‌ها گرفته تا فوتون‌ها و یون‌ها، محقق شده‌اند. در سال‌های اخیر، برخی از فیزیکدانان کوانتومی نوع جدیدی از کیوبیت‌ها را آزمایش کرده‌اند که به آندریف اسپین کیوبیت معروف است. این کیوبیت ها از خواص مواد ابررسانا و نیمه هادی برای ذخیره و دستکاری اطلاعات کوانتومی استفاده می کنند. تیمی از محققان دانشگاه صنعتی دلفت، به رهبری مارتا پیتا-ویدال و یاپ جی. وسدورپ، اخیراً کوپل شدن قوی و قابل تنظیم بین دو کیوبیت اسپین آندریف دور از هم را نشان دادند. مقاله آنها که در Nature Physics  منتشر شده است، می تواند راه را برای تحقق موثر گیت های دو کیوبیتی بین اسپین های دور هموار کند.

کریستین کراگلاند اندرسن، نویسنده مسئول مقاله، به Phys.org می گوید: «کار اخیر اساساً ادامه کار ما است که سال گذشته در Nature Physics منتشر شد. "در این کار، ما نوع جدیدی از کیوبیت به نام کیوبیت اسپین آندریف را مطالعه کردیم که قبلا توسط محققان دانشگاه ییل نیز نشان داده شده بود." کیوبیت های اسپین آندریف به طور همزمان از خواص سودمند کیوبیت های ابررسانا و نیمه هادی بهره می برند. این کیوبیت ها اساساً با قرار دادن یک نقطه کوانتومی در یک کیوبیت ابررسانا ایجاد می شوند.

اندرسن در ادامه گفتند: «با ایجاد کیوبیت جدید، سؤال طبیعی بعدی این بود که آیا می‌توانیم دو تا از آنها را جفت کنیم؟» "یک مقاله نظری منتشر شده در سال 2010 روشی را برای جفت کردن دو کیوبیت پیشنهاد کرد و آزمایش ما اولین آزمایشی است که این پیشنهاد را در دنیای واقعی محقق می کند." اندرسن و همکارانش به عنوان بخشی از مطالعه خود ابتدا یک مدار ابررسانا ساختند. سپس با استفاده از یک تیپ دقیق کنترل شده، دو نانوسیم نیمه هادی را در بالای این مدار لایه نشانی کردند. اندرسن توضیح داد: «مدارهای ترکیبی نانوسیم و ابررسانا، دو حلقه ابررسانا ایجاد کردند. بخش ویژه این حلقه ها این است که بخشی از هر حلقه یک نقطه کوانتومی نیمه هادی است. در نقطه کوانتومی، می توانیم یک الکترون را به دام بیندازیم. نکته جالب این است که جریانی که در اطراف حلقه ها می گذرد اکنون به اسپین آن بستگی دارد. این اثر جالب است، زیرا به ما اجازه می دهد تا با یک اسپین، ابرجریان میلیاردها جفت کوپر را کنترل کنیم. جریان ترکیبی دو حلقه ابررسانای جفت شده توسط محققان در نهایت به اسپین در هر دو نقطه کوانتومی بستگی دارد. این همچنین به این معنی است که دو اسپین از طریق این ابر جریان جفت می شوند. قابل ذکر است که این کوپلینگ را می توان به راحتی یا از طریق میدان مغناطیسی که از طریق حلقه ها عبور می کند یا با تعدیل ولتاژ گیت کنترل کرد.

اندرسن گفت: «ما نشان دادیم که واقعاً می‌توانیم با استفاده از یک ابررسانا، اسپین‌ها را در فواصل «دور» جفت کنیم. "به طور معمول، جفت شدن اسپین-اسپین تنها زمانی اتفاق می افتد که دو الکترون بسیار نزدیک باشند. هنگام مقایسه سکوهای کیوبیت مبتنی بر نیمه هادی ها با سکوهای مبتنی بر کیوبیت های ابررسانا، این نیاز به مجاورت یکی از معایب معماری نیمه هادی ها است."

رویکرد جدیدی که توسط اندرسن و همکارانش معرفی شد، با امکان جفت شدن کیوبیت ها در فواصل طولانی و پک کردن آنها به یکدیگر، انعطاف بیشتری در طراحی رایانه های کوانتومی ایجاد می کند. این مطالعه اخیر می‌تواند به زودی فرصت‌های جدیدی را برای توسعه دستگاه‌های محاسباتی کوانتومی با عملکرد بالا باز کند. در مطالعات بعدی، محققان قصد دارند رویکرد پیشنهادی خود را به تعداد بیشتری کیوبیت گسترش دهند.

More information: Marta Pita-Vidal et al, Strong tunable coupling between two distant superconducting spin qubits, Nature Physics (2024)