خلاصه خبر:
محققان ژاپنی اولین کیوبیت شار ابررسانا را که بدون میدان مغناطیسی خارجی کار می‌کند، با استفاده از پیوند جوزفسون فرومغناطیسی (π-junction) توسعه داده‌اند. این نوآوری مدارهای کوانتومی را با از بین بردن نیاز به سیم پیچ های مغناطیسی بزرگ، کاهش نویز و بهبود یکپارچگی ساده می کند. این تیم از NICT ژاپن و دانشگاه توهوکو، کیوبیتی را با زمان همدوسی 1.45 میکروثانیه نشان دادند که 360 برابر بهتر از کیوبیت‌های فاز قبلی بود. اگرچه زمان همدوسی آن کوتاه تر از کیوبیت های شار معمولی است، اما این پیشرفت گامی به سوی فناوری های کوانتومی کارآمدتر و مقیاس پذیر است. پیشرفت‌های آتی در مواد و طراحی می‌تواند منجر به زمان همدوسی طولانی‌تر و رایانه‌های کوانتومی با کارایی بالا شود که نقش کلیدی در زمینه‌هایی مانند علم مواد، داروسازی و امنیت اطلاعات ایفا می‌کنند.
توضیحات تکمیلی:
محققان ژاپنی از موسسه ملی فناوری اطلاعات و ارتباطات (NICT) و دانشگاه توهوکو اولین کیوبیت شار ابررسانا در جهان را ساخته‌اند که بدون نیاز به میدان مغناطیسی خارجی عمل می‌کند. این نوآوری که اخیرا منتشر شده است، نشان دهنده پیشرفت قابل توجهی در فناوری کوانتومی، به ویژه در بهبود مقیاس پذیری و کارایی مدارهای کوانتومی است.
به طور سنتی، کیوبیت های شار ابررسانا - اجزای کلیدی در بسیاری از کامپیوترهای کوانتومی - برای تنظیم وضعیت عملیاتی خود به میدان های مغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ های بزرگ یا خطوط شار متکی هستند. این میدان‌های خارجی پیچیدگی‌هایی مانند نویز و نیازهای خط کنترل را ایجاد می‌کنند که مانع از یکپارچگی در مقیاس بزرگ می‌شود و کنترل کیوبیت‌ها را سخت‌تر می‌کند. برای غلبه بر این چالش ها، تیم ژاپنی از یک اتصال فرومغناطیسی جوزفسون، معروف به پیوند π، برای ایجاد یک تغییر فاز 180 درجه ای در پارامتر ترتیب ابررسانا استفاده کرد. این به کیوبیت اجازه می دهد تا در محیطی با شار مغناطیسی صفر کار کند و به طور موثر نیاز به میدان های خارجی را از بین می برد.
خود کیوبیت با استفاده از سه اتصال NbN/AlN/NbN جوزفسون و یک اتصال π فرومغناطیسی NbN/PdNi/NbN ساخته شده است. این طراحی به آن زمان همدوسی 1.45 میکروثانیه می دهد که 360 برابر بهتر از کیوبیت های فاز قبلی با استفاده از فناوری های مشابه است. اگرچه زمان همدوسی آن هنوز هم کوتاه‌تر از کیوبیت‌های شار معمولی بدون پیوند π است، نتایج یک جهش چشمگیر به جلو است. این تیم محدودیت در طول عمر کیوبیت را به برانگیختگی‌های شبه ذره در لایه فرومغناطیسی نسبت می دهد، اما آنها معتقدند بهینه سازی های آینده در طراحی مواد و اتصالات می تواند همدوسی عملیاتی کیوبیت را بیشتر گسترش دهد.
این تحقیق راه را برای توسعه دستگاه‌های کوانتومی هموار می‌کند که از تعامل بین فرومغناطیس و ابررسانایی استفاده می‌کنند. کیوبیت شار پیوند π نه تنها از نظر انرژی کارآمدتر و مقاوم‌تر در برابر نویز است، بلکه ادغام آن در رایانه‌های کوانتومی مقیاس بزرگ نیز ساده‌تر است. چنین پیشرفت‌هایی بسیار مهم هستند زیرا انتظار می‌رود رایانه‌های کوانتومی زمینه‌هایی مانند علم مواد، داروسازی، رمزنگاری و امنیت اطلاعات را متحول کنند.
علاوه بر پتانسیل آن برای محاسبات کوانتومی، توانایی کیوبیت برای عملکرد بدون میدان های مغناطیسی خارجی، دری را برای توسعه حسگرهای کوانتومی که بر مدارهای ابررسانا متکی هستند، باز می کند. این نقطه عطف می‌تواند پلتفرم‌های سخت‌افزاری کوانتومی فشرده‌تر و کارآمدتری را فعال کند و راه‌حل‌های جدیدی را برای برخی از چالش‌برانگیزترین مسائل فیزیک، از جمله اندازه‌گیری‌های دقیق و شبیه‌سازی‌های کوانتومی، ارائه دهد.
محققان اکنون بر روی بهبود یکنواختی دستگاه و طولانی‌تر کردن زمان همدوسی آن با اصلاح توپولوژی مدار و فرآیندهای ساخت متمرکز شده‌اند. آنها امیدوارند با انجام این کار، پتانسیل کامل این فناوری پیشرفت را که می تواند به سنگ بنای نسل بعدی سیستم های محاسباتی کوانتومی و تراشه های کوانتومی تبدیل شود، باز کنند.
منبع
https://interestingengineering.com/innovation/qubit-ditches-magnetic-field-for-speed-quantum-breakthrough?utm_source=twitter&utm_medium=article_post
https://www.nature.com/articles/s43246-024-00659-1
