رکوردشکنی فنلاند در پایداری کیوبیت: گامی بزرگ برای رایانش کوانتومی

رکوردشکنی در زمان همدوسی کیوبیت

گروهی از محققان در فنلاند، رکورد جهانی جدیدی را برای مدت زمانی که یک بیت کوانتومی (کیوبیت) می‌تواند اطلاعات خود را حفظ کند، به ثبت رسانده‌اند. آنها زمان همدوسی یک کیوبیت ترانسمان ابررسانا را در بهترین حالت به یک میلی‌ثانیه کامل و با میانگین زمان نیم میلی‌ثانیه رسانده‌اند. این زمان، هرچند در نگاه اول کوتاه به نظر می‌رسد، اما در دنیای رایانش کوانتومی یک پیشرفت بزرگ محسوب می‌شود.

زمان همدوسی طولانی‌تر به این معنی است که کیوبیت‌ها می‌توانند عملیات بیشتری را اجرا کنند و رایانه‌های کوانتومی قادر خواهند بود محاسبات بیشتری را پیش از بروز خطاها انجام دهند. این امر به طور مستقیم به نفع جامعه تحقیقاتی است و تلاش‌های جهانی برای توسعه حسگرهای کوانتومی، شبیه‌سازهای کوانتومی و رایانه‌های کوانتومی مبتنی بر فناوری‌های کوانتومی ابررسانا را تسریع می‌بخشد.

چالش پایداری کیوبیت‌ها و راهکار فنلاندی‌ها

کیوبیت‌ها به دلیل ظرافت ذاتی خود، به راحتی حالت کوانتومی‌شان را از طریق تعامل با محیط از دست می‌دهند؛ پدیده‌ای که «واهمدوسی» نامیده می‌شود. سال‌هاست که دانشمندان در سراسر جهان در تلاشند تا کیوبیت‌هایی بسازند که به اندازه کافی پایدار بمانند و قادر به انجام محاسبات پیچیده باشند.

پیش از این، بهترین زمان‌های همدوسی گزارش شده برای کیوبیت‌های ترانسمان (نوعی محبوب که در بسیاری از آزمایشگاه‌ها استفاده می‌شود) حداکثر حدود ۰.۶ میلی‌ثانیه بود. فراتر رفتن از این مقدار بسیار دشوار بوده، زیرا حتی ذرات کوچک نویز در مواد یا تنظیمات اندازه‌گیری می‌توانند باعث فروپاشی حالت کوانتومی شوند.

محققان دانشگاه آلتو در فنلاند برای غلبه بر این مشکل، نوع جدیدی از کیوبیت ترانسمان را با همدوسی غیرمعمول بالا طراحی و ساختند. رویکرد آنها شامل مراحل کلیدی زیر بود:

• استفاده از نوارهای ابررسانای فوق‌العاده تمیز.
• ساخت تراشه در یک محیط تمیز و بسیار کنترل‌شده.
• حکاکی دقیق مدارها با استفاده از لیتوگرافی پرتو الکترونی.
• ساخت دقیق اتصالات حیاتی جوزفسون که مانند مغز کیوبیت عمل می‌کنند.
• توجه ویژه به اکسیداسیون و خلوص مواد برای کاهش نقص‌های میکروسکوپی.

پس از ساخت تراشه، آن را با استفاده از یخچال مخصوص تا نزدیک به صفر مطلق خنک کردند. این دمای پایین به محافظت از حالت کوانتومی شکننده کمک می‌کند. برای اندازه‌گیری عملکرد، از یک تقویت‌کننده تخصصی استفاده شد که سیگنال‌های کوانتومی ضعیف را بدون اضافه کردن نویز اضافی دریافت می‌کند.

در میان چهار کیوبیت روی تراشه، کیوبیت Q2 عملکرد فوق‌العاده‌ای از خود نشان داد. این کیوبیت حداکثر زمان همدوسی کمی بیش از یک میلی‌ثانیه را با مقدار متوسط حدود ۰.۵ میلی‌ثانیه به ثبت رساند که به طور قابل توجهی طولانی‌تر از اکثر دستگاه‌های گزارش شده قبلی است. این نتایج در آزمایش‌های متعدد تکرار شد و قابلیت اطمینان روش ابداعی را اثبات کرد.

این نتیجه با نزدیک شدن به علامت میلی‌ثانیه برای زمان‌های آرامش انرژی و فاززدایی یک کیوبیت ترانسمان، گامی مهم در توسعه کیوبیت‌های ابررسانا با انسجام بالاست.

آینده رایانش کوانتومی و چالش‌های پیش رو

این دستاورد، گامی بزرگ به سوی کاربردی‌تر کردن رایانه‌های کوانتومی است. کیوبیت‌های بادوام‌تر می‌توانند عملیات بیشتری را قبل از از دست دادن اطلاعات انجام دهند که به معنای خطاهای کمتر و نیاز کمتر به تکنیک‌های پیچیده تصحیح خطا است.

با این حال، گسترش این امر به سیستم‌های کوانتومی بزرگ هنوز چالش‌های زیادی را در بر دارد. قرار دادن تعداد زیادی کیوبیت ترانسمان روی یک تراشه و حفظ انسجام میلی‌ثانیه‌ای برای هر یک، بسیار پیچیده‌تر از کار با چند کیوبیت و دستیابی به انسجام یک میلی‌ثانیه‌ای برای یک کیوبیت واحد خواهد بود.

اینکه محققان چگونه بر این مشکل غلبه خواهند کرد، هنوز مشخص نیست. با این حال، آنها برای کمک به جامعه علمی، تمام جزئیات ساخت، طرح‌ها و پروتکل‌های اندازه‌گیری خود را آشکارا به اشتراک گذاشته‌اند. امید می‌رود این تلاش‌ها، دانشمندان را به کاربردی‌تر کردن فناوری‌های کوانتومی نزدیک‌تر کند.

این مطالعه مهم در مجله معتبر Nature Communications منتشر شده است.