تیمی به رهبری آزمایشگاه ملی آرگون وزارت انرژی ایالات متحده با افزایش زمان انسجام کیوبیتِ بار (charge qubit) خود به 0.1 میلی ثانیه، پیشرفت قابل توجهی در زمینه محاسبات کوانتومی داشته است. این نقطه عطف که در Nature Physics منتشر شده است، نشان دهنده پیشرفت هزار برابری نسبت به رکوردهای قبلی است و محاسبات کوانتومی را به کاربردهای عملی نزدیکتر می کند.
برخلاف بیت‌های کلاسیک، کیوبیت‌ها می‌توانند در چندین حالت به طور همزمان وجود داشته باشند. برای اینکه یک کیوبیت کاربردی داشته باشد، باید حالت ترکیبی خود را برای مدت طولانی که به عنوان زمان انسجام (coherence time) شناخته می شود، حفظ کند، در حالی که در برابر نویزهای مخرب محیط اطراف نیز مقاومت می کند. کیوبیت‌های بار این تیم اطلاعات کوانتومی را در حالت‌های حرکتی تک الکترون‌هایی که روی سطح نئونی جامد فوق‌العاده تمیز در خلاء به دام افتاده‌اند، رمزگذاری می‌کنند. ماهیت غیر فعال یا همان non-reactive نئون از کیوبیت ها محافظت می کند و زمان انسجام طولانی را تضمین می کند.
محققان با بهینه‌سازی کیفیت سطح نئون و کاهش سیگنال‌های مخرب به زمان انسجام 0.1 میلی‌ثانیه دست یافتند. این زمان انسجام طولانی امکان کنترل دقیق و بازخوانی با fidelity بالا از حالت‌های تک کیوبیت را فراهم می‌کند که از الزامات محاسبات کوانتومی فراتر می‌رود. علاوه بر این، این تیم با نشان دادن کوپل شدن کیوبیت های دو الکترونی به همان مدار ابررسانا، به یک نقطه عطف حیاتی دست یافت که امکان انتقال اطلاعات بین آنها را فراهم کرد. این پیشرفت یک گام مهم در جهت دستیابی به درهم تنیدگی دو کیوبیتی است که یک نیاز کلیدی برای محاسبات کوانتومی جهانی است.
مزایای کیوبیت های بار این تیم در سادگی طراحی، ساخت، کنترل و بازخوانی آنها نهفته است. این کیوبیت‌ها با زیرساخت‌های موجود برای رایانه‌های کلاسیک سازگار هستند و به طور بالقوه منجر به کاهش هزینه‌های ساخت و راه‌اندازی رایانه‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ می‌شوند.
با همکاری آزمایشگاه ملی لارنس برکلی، موسسه فناوری ماساچوست، دانشگاه نورث ایسترن، دانشگاه استنفورد، دانشگاه شیکاگو و دانشگاه نوتردام، تحقیقات این تیم فرصت‌های جدیدی را برای محاسبات کوانتومی حالت جامد باز می‌کند. تلاش‌های آینده بر بهینه‌سازی بیشتر زمان انسجام و دستیابی به درهم‌تنیدگی بین کیوبیت‌های متعدد متمرکز خواهد بود.
زمان انسجام طولانی بدست آمده توسط تیم آزمایشگاه ملی آرگون، محاسبات کوانتومی را یک قدم به تحقق پتانسیل آن نزدیکتر می کند. با بهبود پایداری کیوبیت، محققان راه را برای رایانه‌های کوانتومی عملی هموار می‌کنند که می‌توانند محاسبات را متحول کنند و مشکلات پیچیده‌ای را در زمینه‌هایی مانند علم مواد، رمزنگاری و بهینه‌سازی حل کنند.
منبع
Xianjing Zhou et al, Electron charge qubit with 0.1 millisecond coherence time, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02247-5
