بهداماندازی و کنترل تکالکترون روی هلیوم مایع در دمای بالای یک کلوین
عنوان خبر: بهداماندازی و کنترل تکالکترون روی هلیوم مایع در دمای بالای یک کلوین
ژانر/موضوع: سختافزار کوانتومی، سیستم ابررسانا
تاریخ انتشار خبر: 9 اکتبر 2025
لینک خبر: phys.org
چکیده:
پژوهشگران شرکت EeroQ و دانشگاه ایالتی میشیگان با موفقیتی مهم در حوزه سختافزار کوانتومی، توانستند تکالکترونها را روی سطح هلیوم مایع به دام انداخته و آشکارسازی کنند، آن هم در دمایی بالاتر از یک کلوین که حدود ده برابر گرمتر از شرایط معمول سیستم های کوانتومی میباشد. این آزمایش از یک رزوناتور مایکروویو ابررسانا برای آشکارسازی تغییرات گسستهی فرکانس استفاده کرد که ناشی از ورود یا خروج تکالکترونها به تلهی میکروسکوپی است که توسط الکترودهایی از جنس نیوبیوم روی تراشهی سیلیکونی تشکیلشده. این تغییرات با پیشبینیهای نظری تطابق داشت و نشاندهندهی کنترل دقیق تکالکترونها است. برخلاف سیستم های متداول کوانتومی مانند کیوبیتهای ابررسانا یا یونهای بهدامافتاده که نیاز به دمای میلیکلوینی و یخچالهای رقیقکنندهی پرهزینه دارند، رویکرد این شرکت از کریواستات (cryostat) سادهی هلیومی با توان سرمایشی بسیار بیشتر استفاده میکند. این ویژگی امکان ادغام مدارهای کلاسیک کنترلی درون محیط کرایوژنیک را فراهم میسازد و در نتیجه پیچیدگی، نویز و هزینهی سیستم را کاهش میدهد. همچنین، پلتفرم الکترون روی هلیوم از خلوص و سطح بینقص هلیوم مایع بهرهمند است که زمان همدوسی اسپین الکترون را بسیار طولانی میکند. هرچند کنترل همدوس اسپین هنوز چالش بعدی است، این دستاورد راه را برای پردازندههای کوانتومی مقیاسپذیر، سازگار با CMOS و دمایبالا هموار میسازد و چشماندازی تازه فراتر از معماریهای کوانتومی بسیار سرد فراهم میآورد.
شرح کامل خبر:
در پیشرفتی چشمگیر در مسیر دستیابی به پردازندههای کوانتومی مقیاسپذیر و عملی، پژوهشگران شرکت EeroQ و دانشگاه ایالتی میشیگان موفق به بهداماندازی و آشکارسازی تکالکترونها روی سطح هلیوم مایع در دمایی بالاتر از یک کلوین شدند؛ دمایی که حدود ده برابر گرمتر از شرایط معمول سیستمهای کوانتومی است. این دستاورد که در Physical Review X منتشر شده، گامی اساسی در توسعهی پلتفرم موسوم به “الکترون روی هلیوم” محسوب میشود — معماریای که از سطح فوقالعاده پاک و عاری از نقص هلیوم مایع برای میزبانی کیوبیتها با واهمدوسی بسیار پایین بهره میبرد.
معمولاً سیستمهای محاسبات کوانتومی متداول مانند کیوبیتهای ابررسانا، یونهای بهدامافتاده، فوتونی و اتمهای خنثی نیازمند دمای میلیکلوینی هستند، که مستلزم استفاده از یخچالهای رقیقکننده بسیار پرهزینه و با توان سرمایشی محدود است. این سیستمها معمولاً تنها در حدود یک میلیوات توان سرمایشی فراهم میکنند و همین موضوع مقیاسپذیری آنها را محدود میسازد. در مقابل، رویکرد EeroQ با استفاده از کریواستات (cryostat) سادهی هلیومی در دمایی کمی بالاتر از ۱ کلوین کار میکند، جایی که توان سرمایشی تقریباً صد برابر بیشتر است. این افزایش دما و توان خنککنندگی میتواند طراحی سیستمهای کرایوژنیک را سادهتر کرده، امکان جایدهی مستقیم مدارهای کنترلی درون محیط سرد را فراهم سازد و هزینه و پیچیدگی کل سیستم را بهطور چشمگیری کاهش دهد.
در این آزمایش، پژوهشگران تراشهای ابررسانا از جنس نیوبیوم روی ویفر سیلیکونی ساختند که دارای میکروکانالهایی بود که بهطور خودبهخود از طریق عمل مویینگی (capillary action) با هلیوم مایع پر میشدند. سپس با استفاده از یک فیلامان تنگستنی الکترونهایی گسیل شد که روی سطح هلیوم نشسته و لایهای دوبعدی از الکترونها تشکیل دادند. زیر این لایه، مجموعهای از الکترودهای گیت میدان الکتریکی لازم برای ایجاد تلهی کوانتومی قابل تنظیم را فراهم کردند تا یک یا چند الکترون در آن محبوس شوند. برای آشکارسازی وضعیت بار این تله از یک رزوناتور ابررسانای موجبر همسطح با فرکانس حدود ۶ گیگاهرتز استفاده شد. برهمکنش میدان مایکروویو رزوناتور با الکترونهای بهدامافتاده باعث تغییرات در فرکانس پراکنده (dispersive frequency) شد — پلههای کوانتیدهای در در فرکانس رزونانس که هرکدام نشاندهندهی ورود یا خروج یک الکترون بودند.
اندازهگیریهای بهدستآمده با مدل نظریای که در آن هر الکترون بهصورت یک نوسانگر هارمونیک کوپل شده به میدان رزوناتور در نظر گرفته شده بود، تطابق بسیار خوبی داشت. قدرت کوپلینگ حاصل در این پژوهش تقریباً دو برابر آزمایشهای پیشین بود و سامانه توانست بارگذاری و آزادسازی تک و دو الکترون را بهصورت پایدار و تکرارپذیر انجام دهد.
هرچند هنوز کنترل همدوس اسپین الکترون — که گام بعدی در جهت عملکرد واقعی کیوبیت است — نشان داده نشده، این پژوهش پایهای محکم برای کنترل تکالکترون در دمای بالا فراهم میکند. علاوه بر این، سازگاری معماری الکترون روی هلیوم با فناوری CMOS امکان ادغام همزمان مدارهای کوانتومی و کلاسیک روی یک تراشه سیلیکونی را فراهم میسازد. با شکستن مانع سنتی دماهای میلیکلوینی، تیم EeroQ و دانشگاه ایالتی میشیگان راه را برای نسل جدیدی از پردازندههای کوانتومی با دمای بالا و مقیاسپذیر هموار کردهاند که میتواند اقتصاد و دسترسیپذیری فناوری کوانتومی را متحول سازد.
منابع:
[1] https://phys.org/news/2025-10-individual-electrons-easing-cooling-limits.html?utm_source=chatgpt.com
[2] https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/vcl7-73ms
[3] https://thequantuminsider.com/2025/10/11/eeroq-demonstrates-single-electron-quantum-control-above-1-kelvin/
دیدگاه خود را درباره این خبر با ما به اشتراک بگذارید.
