اخبار کوانتومی – شرکت QuTech اولین مدار کوانتومی بر پایه‌ی کیوبیت ژرمانیوم خود را نشان میدهد

عنوان خبر: شرکت QuTech اولین مدار کوانتومی بر پایه‌ی کیوبیت ژرمانیوم خود را نشان میدهد
ژانر/موضوع: محاسبات کوانتومی، نقاط کوانتومی، کیوبیت برپایه نیمه هادی

تاریخ انتشار خبر: 19 فوریه 2025
لینک خبر: The Quantum Insider

چکیده:

محققان در QuTech موفق شدند یک سیستم چهارکیوبیتی با استفاده از هشت نقطه کوانتومی ژرمانیوم به نمایش بگذارند و به پیشرفت‌های قابل توجهی در محاسبات کوانتومی مبتنی بر نیمه‌هادی دست یابند. این مطالعه به بهبودهای کلیدی در مقداردهی اولیه، خوانش و کنترل کیوبیت‌ها اشاره دارد. تیم تحقیقاتی موفق شد گیتهای جهان شمول تک‌کیوبیتی و دوکیوبیتی با فیدلیتی بیش از 99.49% پیاده‌سازی کند و کنترل دقیقی روی کیوبیت‌های singlet-triplet در ژرمانیوم نشان دهد. یکی از دستاوردهای مهم انتقال درهم‌تنیدگی بین کیوبیت‌های غیرمجاور از طریق تعویض یا swap درهم‌تنیدگی با فیدلیتی 75% بود. کیوبیت‌های مبتنی بر ژرمانیوم مزایایی مانند کوپلینگ اسپین-اوربیتال، حساسیت پایین به نویز بار و کنترل الکتریکی دارند که آن‌ها را برای پردازنده‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر امیدوارکننده میکند. این تحقیق مسیر را برای مقیاس‌بندی آرایه‌های کیوبیتی و بهبود اصلاح خطا هموار میکند.

شرح کامل خبر:

در یک آزمایش پیشرفته، محققان در QuTech موفق شدند سیستم چهار کیوبیتی را با استفاده از هشت نقطه کوانتومی ژرمانیوم به نمایش بگذارند و این یک پیشرفت قابل توجه در توسعه محاسبات کوانتومی مبتنی بر نیمه‌هادی‌ها است. این کار که در Nature Nanotechnology منتشر شده است، گامی حیاتی به سمت ساخت کامپیوترهای کوانتومی مقیاس‌پذیر و پایدار محسوب می‌شود. این مطالعه بهبودهای قابل توجهی در جنبه‌های مختلف محاسبات کوانتومی از جمله مقداردهی اولیه کیوبیت‌ها، خوانش و کنترل آن‌ها نشان می‌دهد.

کیوبیت‌های مبتنی بر نیمه‌هادی، به ویژه کیوبیت‌های مبتنی بر ژرمانیوم، به دلیل مزایای ذاتی خود در مقیاس‌پذیری و تطابق با فرآیندهای ساخت نیمه‌هادی‌های موجود، یک رویکرد امیدوارکننده برای محاسبات کوانتومی در مقیاس بزرگ هستند. تیم تحقیقاتی یک آرایه 2×4 از نقاط کوانتومی ساخت، جایی که هشت اسپین در حال تعامل چهار کیوبیت را رمزگذاری می‌کنند. این نقاط کوانتومی کنترل کاملی بر تعاملات اسپین‌های همسایه نزدیک دارند که امکان دستکاری دقیق حالات کیوبیت و انتقال کارآمد اطلاعات کوانتومی بین کیوبیت‌ها را فراهم می‌کند.

یکی از دستاوردهای فنی کلیدی در این مطالعه پیاده‌سازی گیت‌های تک‌کیوبیتی و دوکیوبیتی جهان شمول بود. تیم تحقیقاتی نشان داد که می‌توانند عملیات تک‌کیوبیتی را با فیدلیتی بیش از 99.49% انجام دهند که این امر برای اطمینان از قابلیت اعتماد محاسبات کوانتومی بسیار حیاتی است. این گیت‌ها برای ساخت مدارهای کوانتومی پیچیده‌تر و به ویژه برای ایجاد بلوک‌های بنیادی الگوریتم‌های کوانتومی ضروری هستند. محققان از گیت‌های دوکیوبیتی به سبک SWAP بین جفت‌های کیوبیت همسایه استفاده کردند و به فیدلیتی بالای گیت ها دست یافتند، با فیدلیتی حالت‌های بل از 73% تا 90%. این نتایج پتانسیل کیوبیت‌های سینگلِت-تریپلت (singlet-triplet qubits) در ژرمانیوم را به عنوان یک پلتفرم دقیق و مقیاس‌پذیر برای کنترل کوانتومی نشان می‌دهد.

دستاورد دیگر این مطالعه انتقال موفقیت‌آمیز درهم‌تنیدگی بین کیوبیت‌های غیرمجاور از طریق فرآیندی به نام تعویض درهم‌تنیدگی (entanglement swapping) بود. این آزمایش شامل درهم‌تنیدگی کیوبیت اول و دوم و سپس انتقال تدریجی درهم‌تنیدگی از طریق کیوبیت سوم به کیوبیت چهارم بود که یک حالت درهم‌تنیده بین کیوبیت‌های اول و چهارم با فیدلیتی 75% ایجاد کرد. توانایی انتقال درهم‌تنیدگی بین کیوبیت‌هایی که به طور مستقیم مجاور هم نیستند، یک گام حیاتی برای توسعه شبکه‌های کوانتومی و پیاده‌سازی طرح‌های اصلاح خطای کوانتومی پیچیده‌تر است. تعویض یا swap کردن درهم‌تنیدگی یک ابزار اساسی برای ارتباطات کوانتومی مقیاس‌پذیر و محاسبات کوانتومی توزیع‌شده است که در آن کیوبیت‌ها می‌توانند بر فواصل طولانی درهم‌تنیده شوند.

این مطالعه همچنین مزایای منحصربه‌فرد کیوبیت‌های مبتنی بر ژرمانیوم را نشان می‌دهد. در مقایسه با کیوبیت‌های مبتنی بر سیلیکون، کیوبیت‌های ژرمانیوم از کوپلینگ اسپین-اوربیتال ذاتی برخوردارند که امکان دستکاری سریع‌تر حالات کیوبیت را فراهم می‌آورد. علاوه بر این، کیوبیت‌های ژرمانیوم حساسیت کمتری به نویز بار دارند که پایداری آن‌ها را افزایش می‌دهد و آن‌ها را برای کاربردهای محاسبات کوانتومی قابل اعتمادتر می‌سازد. علاوه بر این، کیوبیت‌های ژرمانیوم می‌توانند از طریق سیگنال‌های الکتریکی کنترل شوند که نیاز به سیستم‌های پیچیده و پرمصرف کنترل میکروویو را که معمولاً در سایر پلتفرم‌های محاسبات کوانتومی مورد نیاز است، برطرف می‌کند. این ویژگی‌ها ژرمانیوم را به یک ماده بسیار امیدوارکننده برای ساخت پردازنده‌های کوانتومی آینده تبدیل می‌کند.

موفقیت آزمایشی گزارش‌شده توسط این شرکت گامی بزرگ در توانایی ما برای کنترل و دستکاری کیوبیت‌ها به روش مقیاس‌پذیر و قابل اعتماد است. نتایج همچنین نشان می‌دهند که مقیاس‌بندی آرایه‌های کیوبیتی و گسترش کنترل اسپین‌های نقاط کوانتومی در آرایه‌های بزرگتر امکان‌پذیر است که گامی حیاتی برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی در مقیاس کامل است. با پیشرفت این حوزه، کارهای آینده بر بهبود بیشتر فیدلیتی کیوبیت‌ها، گسترش به آرایه‌های بزرگتر و اصلاح تکنیک‌های اصلاح خطای کوانتومی متمرکز خواهد بود تا پایداری و قابلیت اعتماد سیستم‌های کوانتومی بزرگتر را تضمین کند.

Lieven Vandersypen، سرپرست تیم تحقیقاتی، بر پیشرفت سریع این حوزه تأکید کرد و اشاره کرد که دستاوردهایی که روزگاری تقریباً غیرممکن به نظر می‌رسیدند، اکنون به روال عادی تبدیل شده‌اند. همانطور که تیم تحقیقاتی به بهبود دقت و مقیاس‌پذیری سیستم‌های کوانتومی خود ادامه می‌دهد، مسیر دستیابی به محاسبات کوانتومی مقیاس‌پذیر بزرگتر از همیشه قابل دسترسی به نظر می‌رسد. با موفقیت سیستم چهار کیوبیتی آن‌ها و وعده نقاط کوانتومی مبتنی بر ژرمانیوم، کار QuTech ما را یک قدم به تحقق پتانسیل محاسبات کوانتومی مبتنی بر نیمه‌هادی‌ها نزدیک‌تر می‌کند.

منابع:

[1] https://thequantuminsider.com/2025/02/19/qutech-demonstrates-first-of-its-kind-quantum-circuit-with-germanium-qubits/

[2] https://www.nature.com/articles/s41565-024-01817-9

دیدگاه خود را درباره این خبر با ما به اشتراک بگذارید.