کنترل حالت‌های کوانتومی جرمانیومین با میدان الکتریکی؛ گامی مهم برای کیوبیت‌های پایدار

محققان دانشگاه‌های توئنته و اوترخت هلند برای اولین بار موفق شدند حالت‌های کوانتومی نانوربون‌های جرمانیومین، ماده‌ای شبیه به گرافن، را تنها با استفاده از یک میدان الکتریکی روشن و خاموش کنند. این دستاورد علمی، مسیر جدیدی را برای طراحی و ساخت بلوک‌های کوانتومی فوق پایدار و مقاوم در برابر نویز در نسل آینده رایانه‌های کوانتومی هموار می‌کند.

دستاورد بی‌سابقه در کنترل کوانتومی

تیم‌های تحقیقاتی هلندی نشان دادند که حالت‌های پایانی توپولوژیکی که در نوارهای بسیار باریک جرمانیومین ظاهر می‌شوند، با تغییر شدت میدان الکتریکی قابل کنترل هستند. این حالت‌های توپولوژیکی به دلیل مقاومت ذاتی خود در برابر نویز محیطی، گزینه‌ای ایده‌آل برای استفاده در محاسبات کوانتومی و ساخت کیوبیت‌های مقاوم به شمار می‌روند.

سازوکار کنترل الکتریکی

در این مطالعه، محققان نانوربون‌های جرمانیومین را زیر میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی (STM) قرار دادند و با تنظیم دقیق فاصله نوک میکروسکوپ تا سطح ماده، میدان الکتریکی محلی را تغییر دادند. نتایج حیرت‌انگیز نشان داد که با افزایش یا کاهش این میدان، حالت‌های کوانتومی لبه‌ای به صورت کاملاً کنترل‌شده ناپدید یا ظاهر می‌شوند.

اسرا دی ون‌ت وستنده از دانشگاه توئنته می‌گوید: «ما توانستیم این حالت‌های پایانی توپولوژیکی را کاملاً تحت کنترل الکتریکی قرار دهیم. با تغییر فاصله بین نوک میکروسکوپ و نانوربون، عملاً حالت کوانتومی را روشن یا خاموش می‌کنیم.»

نکته جالب توجه این بود که رفتار حالت‌ها به پهنای نوار جرمانیومین بستگی داشت:

• نوارهای فوق باریک: حالت پایانی در میدان‌های الکتریکی کم واضح بود و با افزایش شدت میدان ناپدید می‌شد.
• نوارهای پهن‌تر: میدان قوی‌تر باعث فعال شدن حالت‌های توپولوژیکی می‌شد.

مدل‌سازی نظری توسط گروه دانشگاه اوترخت توانست تفاوت این مکانیزم کنترلی را بر اساس هندسه نوارها توضیح دهد.

جرمانیومین؛ ماده‌ای با پتانسیل بالا

جرمانیومین (Germanene) یک ماده دو بُعدی است که ساختاری شبیه به گرافن دارد، با این تفاوت که از یک لایه اتم‌های ژرمانیم تشکیل شده که به صورت ورقی کمی موج‌دار کنار هم قرار گرفته‌اند. هنگامی که این ماده به نوارهای بسیار باریک (در حد ۲ تا ۴ شش‌ضلعی) بریده می‌شود، حالت‌های توپولوژیکی صفر بُعدی در لبه‌های آن شکل می‌گیرند.

محققان بر این باورند که این حالت‌های لبه‌ای می‌توانند به عنوان اجزای سازنده کیوبیت‌های پایدارتر عمل کنند، چرا که توانایی حفظ اطلاعات کوانتومی را بهتر از حالت‌های کوانتومی رایج دارند.

افق‌های سخت‌افزار کوانتومی پایدار

این کشف بخشی از برنامه ملی هلند با نام QuMat است که بر طراحی مواد کوانتومی نسل بعدی با همکاری نزدیک میان متخصصان تجربی و نظریه‌پردازان تمرکز دارد. هدف نهایی، ساخت دستگاه‌های کوانتومی با قابلیت مقیاس‌پذیری بالاست.

پانتلیس بامپولیس از دانشگاه توئنته اظهار داشت: «این پروژه نشان می‌دهد که چرا برنامه QuMat ایجاد شده است؛ گروه‌های تجربی و نظری با همکاری هم مواد جدیدی را برای دستگاه‌های کوانتومی آینده طراحی می‌کنند.»

نتایج این تحقیق نویدبخش آینده‌ای است که در آن کیوبیت‌ها می‌توانند از حالت‌های توپولوژیکی محافظت‌شده ساخته شوند و کنترل آن‌ها تنها با میدان‌های الکتریکی صورت گیرد. این امر نیاز به میدان‌های مغناطیسی یا تنظیمات پیچیده دیگر را از بین می‌برد. چنین کنترلی برای مقیاس‌پذیری سخت‌افزار کوانتومی و ساخت تراشه‌هایی با میلیون‌ها کیوبیت حیاتی است؛ چالشی که فناوری‌های کنونی در مواجهه با آن با مشکل روبرو هستند.

اگرچه این پیشرفت در حال حاضر در سطح تحقیقات بنیادی باقی مانده است، اما توانایی کنترل حالت‌های کوانتومی نانوربون‌های جرمانیومین تنها با یک میدان الکتریکی محلی، گامی بسیار مهم در مسیر یافتن بلوک‌های کوانتومی پایدار و عملیاتی محسوب می‌شود. جزئیات کامل این مطالعه در نشریه معتبر Physical Review Letters منتشر شده است.