محققان موسسه فناوری فدرال سوئیس(ETH) در زوریخ اولین کیوبیت مکانیکی کاملاً کاربردی را توسعه دادند.

به نقل از فیز، این نوآوری باورنکردنی کوانتومی یک سامانه دو در یک است که توانایی‌های یک نوسان‌ساز مکانیکی و یک کیوبیت ابررسانا را ترکیب می‌کند.

کیوبیت‌های مکانیکی در مقایسه با کیوبیت‌های مجازی سنتی که با استفاده از کیوبیت‌های فیزیکی متعدد و کدهای تصحیح خطا برای محافظت از اطلاعات کوانتومی ایجاد می‌شوند، سیستم‌های فیزیکی و واقعی هستند که به این لایه حفاظتی اضافی نیاز ندارند.

این امر استفاده از کیوبیت‌های مکانیکی را ساده‌تر می‌کند، زیرا برای عملکرد قابل اعتماد به کدگذاری پیچیده یا چند کیوبیتی که با هم کار می‌کنند، متکی نیستند. علاوه بر این، کیوبیت‌های مکانیکی طول عمر بسیار بیشتری نسبت به کیوبیت‌های مجازی دارند که در یک چشم بر هم زدن ظاهر و ناپدید می‌شوند.

در پردازش کوانتومی، یک کیوبیت یا بیت کوانتومی واحد پایه پردازش کوانتومی و رمزنگاری کوانتومی و مشابه با «بیت» در رایانه‌های سنتی است.

کیوبیت در واقع کوچکترین واحد ذخیره اطلاعات و معیاری از مقدار اطلاعات کوانتومی است. از نظر فیزیکی، کیوبیت یک سامانه کوانتومی دوحالتی است، یعنی سیستمی که توسط مکانیک کوانتومی به درستی قابل توصیف است و هنگام اندازه‌گیری یکی از دو حالت ممکن خود را اختیار می‌کند.

در یک سامانه سنتی، هر بیت در هر لحظه یا در حالت صفر یا در حالت یک است، اما اصل‌های مکانیک کوانتومی به کیوبیت اجازه می‌دهند که در عین حال، حالتی را برابر با برهم‌نهی دو حالت اصلی نیز اختیار کند که ویژگی پردازش کوانتومی بنیادی است. به عبارتی، یک کیوبیت هم ممکن است در حالت‌های سنتی صفر و یک وجود داشته باشد و هم می‌تواند در حالت ترکیب این دو قرار گیرد. یعنی همزمان دارای هر دو حالت صفر و یک باشد. در واقع همین پدیده، تفاوت اصلی بین بیت‌های سنتی و کیوبیت‌هاست.

محققان خاطرنشان می‌کنند: طول عمر بیشتر حالت‌های کوانتومی مکانیکی باید در ایجاد آکوستیک کوانتومی به عنوان بستری برای فناوری‌های کوانتومی پیشرفته مفید باشد.

این تیم می‌گوید کیوبیت مکانیکی ما می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا بر برخی از موانع اصلی مرتبط با تحقق برنامه‌های محاسباتی کوانتومی و سنجش عملی غلبه کنند.

چالش کیوبیت مکانیکی

هر سامانه کوانتومی که دارای دو حالت انرژی متمایز است که قابل تفکیک هستند یا می‌توانند از سطوح انرژی دیگر جدا شوند، کیوبیت نامیده می‌شود.

به طور مشابه، کیوبیت ابررسانا که یک دستگاه الکترونیکی فیزیکی است، دارای حالت‌های انرژی پایین‌تر و بالاتر است که به ترتیب با صفر و ۱ نشان داده می‌شوند. با این حال، در حالی که توسعه یک کیوبیت مجازی و یک کیوبیت ابررسانا نسبتاً ساده است، ایجاد یک کیوبیت مکانیکی کاربردی برای سالها یک چالش برای دانشمندان بوده است.

آدریان بچتولد(Adrian Bachtold) فیزیکدان مؤسسه علوم فوتونیک می‌گوید: برای سال‌ها، مردم فکر می‌کردند که ساخت کیوبیت از یک سیستم مکانیکی غیرممکن است.

کیوبیت‌های مجازی غیر هارمونیک هستند، به این معنی که سطوح انرژی آنها به شکل ناهمواری از هم فاصله دارند که امکان برهم‌نهی حالت‌های کوانتومی مختلف را فراهم می‌کند. با این حال، تشدید کننده‌های مکانیکی، دستگاه‌هایی که عموماً برای ساخت کیوبیت‌های مکانیکی در نظر گرفته می‌شوند، دارای سطوح انرژی با فواصل مساوی هستند که جداسازی دو حالت انرژی را دشوار می‌کند.

ییون چو(Yiwen Chu) یکی از محققان و فیزیکدان موسسه ETH زوریخ می‌گوید: دانشمندان با این سوال متحیر شده‌اند که چگونه سطوح انرژی را به فاصله‌ای نابرابر ایجاد کنند که بتوانند بدون دست زدن به بقیه، به دو مورد از آنها رسیدگی کنند.

یک سامانه کوانتومی دو بخشی مشکل را حل کرد

نویسندگان این مطالعه یک سامانه دو بخشی را برای حل مشکل شکاف انرژی ایجاد کردند. بخش اول، یک تشدید کننده مکانیکی ساخته شده از نیترید آلومینیوم بر روی یک بلور یاقوت کبود نصب شد.

هنگامی که یک ولتاژ نوسانی از طریق این آرایش اعمال می‌شود، نیترید آلومینیوم منبسط و منقبض می‌شود و ارتعاشاتی ایجاد می‌کند که در مواد حرکت می‌کند و قبل از محو شدن میلیون‌ها چرخه بین سطوح بلور حلقه می‌زند.

محققان درست بالای نوسان‌ساز مکانیکی، بلور یاقوت کبود دیگری حاوی کیوبیت ابررسانا با یک آنتن کوچک بالای نیترید آلومینیوم قرار دادند.

هنگامی که جریان الکتریکی از طریق کیوبیت ابررسانا جریان می‌یابد، ارتعاشاتی در تشدید کننده مکانیکی ایجاد می‌کند. این تعامل به محققان اجازه می‌دهد تا سطوح انرژی تشدید کننده را کنترل و تنظیم کنند.

بنابراین محققان با جفت کردن نوسان‌ساز با کیوبیت به این روش، با موفقیت شکاف‌های انرژی با فاصله یکنواخت(هارمونیک) را به شکاف‌های ناهموار(غیر هارمونیک) تغییر دادند و اولین کیوبیت مکانیکی کاربردی را ایجاد کردند.

اکنون این تیم قصد دارد از دو کیوبیت مکانیکی برای اجرای برخی عملیات‌های منطقی استفاده کند.

امیدواریم که آنها به نتایج مطلوبی دست یابند و تلاش آنها به توسعه برنامه‌های کاربردی محاسبات کوانتومی کمک کند.

این مطالعه در مجله «ساینس»(Science) منتشر شده است.