מחקר חדש חוקר את הקוביט של אלקטרונים-על-מוצק-ניאון, ומגלה שבליטות קטנות על משטחי ניאון מוצקים יוצרות מצבים קוונטיים יציבים, המאפשרים מניפולציה מדויקת. מחקר זה, הנתמך על ידי קרנות מרובות, מדגיש את החשיבות של אופטימיזציה של ייצור קיוביט, ומקרב אותנו לפתרונות מחשוב קוונטי מעשיים.
מחקר עדכני קידם את הפיתוח של קיוביטים של אלקטרונים על מוצק ניאון, וחושף תובנות מרכזיות שמשפרות מחשוב קוונטי על ידי הארכת זמני הקוהרנטיות של קוויביט וייעול העיצוב שלהם.
למחשבים קוונטיים יש פוטנציאל להיות כלים מהפכניים ליכולתם לבצע חישובים שייקח למחשבים קלאסיים שנים רבות לפתור.
אבל כדי ליצור מחשב קוונטי יעיל, אתה צריך ביט קוונטי אמין, או קיוביט, שיכול להתקיים במצב בו-זמני של 0 או 1 למשך תקופה ארוכה מספיק, המכונה זמן הקוהרנטיות שלו.
גישה מבטיחה אחת היא לכידת אלקטרון בודד על משטח ניאון מוצק, הנקרא קוביט של אלקטרונים על מוצק ניאון. מחקר בהנהגת FAMU-FSU המכללה להנדסה פרופסור Wei Guo שפורסם ב מכתבי סקירה פיזית מראה תובנה חדשה על המצב הקוונטי שמתאר את מצב האלקטרונים על קיוביט כזה, מידע שיכול לעזור למהנדסים לבנות את הטכנולוגיה החדשנית הזו.
תרשים של סיבית קוונטית אלקטרון על מוצק ניאון. קרדיט: באדיבות Wei Guo
דינמיקת מצב קוונטית ועיצוב קוביט
הצוות של גואו מצא שבליטות קטנות על פני השטח של ניאון מוצק בקיוביט יכולות לקשור אלקטרונים באופן טבעי, מה שיוצר מצבים קוונטיים בצורת טבעת של אלקטרונים אלה. המצב הקוונטי מתייחס לתכונות השונות של אלקטרון, כמו מיקום, תנע ומאפיינים אחרים, לפני שהם נמדדים. כאשר הבליטות הן בגודל מסוים, אנרגיית המעבר של האלקטרון – כמות האנרגיה הדרושה לאלקטרון לעבור ממצב טבעת קוונטית אחת לאחרת – מתיישרת עם האנרגיה של פוטוני מיקרוגל, חלקיק אלמנטרי נוסף.
Wei Guo, פרופסור במחלקה להנדסת מכונות במכללה להנדסה FAMU-FSU. קרדיט: Mark Wallheiser/FAMU-FSU College of Engineering
יישור זה מאפשר מניפולציה מבוקרת של האלקטרון, הדרוש למחשוב קוונטי.
"עבודה זו מקדמת באופן משמעותי את ההבנה שלנו לגבי מנגנון לכידת אלקטרונים בפלטפורמת מחשוב קוונטי מבטיחה", אמר גואו. "זה לא רק מבהיר תצפיות ניסיוניות תמוהות, אלא גם מספק תובנות חיוניות לתכנון, אופטימיזציה ובקרה של קיוביטים של אלקטרונים על ניאון מוצק."
עבודה קודמת של Guo ומשתפי פעולה הדגימה את הכדאיות של פלטפורמת קיוביט עם אלקטרונים בודדים במצב מוצק באמצעות אלקטרונים הכלואים על ניאון מוצק. מחקרים עדכניים הראו זמני קוהרנטיות גדולים כמו 0.1 אלפיות שניות, או פי 100 יותר מזמני קוהרנטיות טיפוסיים של 1 מיקרושנייה עבור קווי מטען רגילים מבוססי מוליכים למחצה ומוליכי על.
זמן הקוהרנטיות קובע כמה זמן מערכת קוונטית יכולה לשמור על מצב סופרפוזיציה – היכולת של המערכת להיות במספר מצבים בו-זמנית עד שהיא נמדדת, וזה מאפיין אחד שנותן למחשבים קוונטיים את היכולות הייחודיות שלהם.
אופטימיזציה של ביצועי Qubit
ניתן לייחס את זמן הקוהרנטיות המורחבת של הקיוביט האלקטרון-על-מוצק-ניאון לאינרציות ולטוהר של ניאון מוצק. מערכת קיוביט זו מטפלת גם בסוגיית תנודות פני השטח הנוזליות, בעיה הטבועה בקיוביט האלקטרון-על-נוזל-הליום שנחקר יותר בהרחבה. המחקר הנוכחי מציע תובנות מכריעות לגבי אופטימיזציה נוספת של הקיוביט האלקטרון-על-מוצק-ניאון.
חלק מכריע באופטימיזציה זו הוא יצירת קיוביטים חלקים דרך רוב משטח הניאון המוצק, אך יש להם בליטות בגודל הנכון היכן שהן נחוצות. מעצבים רוצים בליטות מינימליות המתרחשות באופן טבעי על פני השטח שמושכות מטען חשמלי רקע משבש. יחד עם זאת, ייצור מכוון של בליטות בגודל הנכון בתוך מהוד המיקרוגל על הקיוביט משפר את היכולת ללכוד אלקטרונים.
"מחקר זה מדגיש את הצורך הקריטי במחקר נוסף על האופן שבו תנאים שונים משפיעים על ייצור קיוביט ניאון", אמר גואו. "טמפרטורות הזרקת ניאון ולחץ משפיעים על מוצר הקיוביט הסופי. ככל שיש לנו יותר שליטה על התהליך הזה, כך נוכל לבנות יותר מדויק, וככל שנתקרב למחשוב קוונטי שיכול לפתור חישובים בלתי ניתנים לניהול כרגע".
מחברים שותפים במאמר זה היו טושיאקי קאנאי, לשעבר סטודנטית לתואר שני במחלקה לפיזיקה של FSU, ודפי ג'ין, פרופסור חבר באוניברסיטת נוטרדאם.
המחקר נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע, קרן גורדון ובטי מור והמשרד למחקר מדעי של חיל האוויר.
