دائرة كمومية

قام الباحثون ببناء دائرة كهربائية يمكنها الاحتفاظ بالمعلومات الكمومية بمرور الوقت ، مما قد يحسن أداء الحوسبة الكمومية في المستقبل. الاقتران بين الشوائب (الذرات الأجنبية) والدوائر فائقة التوصيل (رسم توضيحي). إمكانات هائلة لتخزين المعلومات الكمية تصف ميكانيكا الكم سلوك الطبيعة على نطاق صغير للغاية ، ويهدف عالم الحوسبة الكمومية إلى استخدامها في معالجة البيانات المتقدمة والسريعة. مبدأ التشغيل الرئيسي هو التراكب – ظاهرة كمومية يمكن أن يكون فيها نظام واحد في حالتين في نفس الوقت. في الكمبيوتر الكمومي ، هذا النظام هو الكيوبت – البتة الكمية (وحدة المعلومات) – والتي يمكن أن تكون 0 و 1 في نفس الوقت (على عكس البتات في الكمبيوتر الكلاسيكي والتي يمكن أن تكون في حالة تشغيل واحدة عند وقت ، 0 أو 1). لذلك لديها إمكانات حسابية هائلة. في السنوات العشرين الماضية ، بدأ السباق التكنولوجي العلمي في بناء الحوسبة الكمية ، وبدأت البلدان والشركات العملاقة (مثل Google و Microsoft و Amazon و IBM) في استثمار الكثير من الجهد في تطويرها. البنية التحتية الرئيسية لهذه الحوسبة هي الدوائر الكهربائية فائقة التوصيل (التي تجري تيارًا كهربائيًا بدون مقاومة). عندما يتم تبريدها إلى درجة الصفر ، فإنها تتصرف بشكل كمي. هذه هي الطريقة التي يتم بها الربط بين الكيوبت والكيوبت ، مما يتيح تكوين الحوسبة الكمومية. يقوم الدكتور مايكل ستيرن من قسم الفيزياء في جامعة بار إيلان وفريقه ببناء دوائر كهربائية فائقة التوصيل (أي أساس الكمبيوتر الكمومي المستقبلي) ومحاولة تحسين خصائصها. هذا للحفاظ على أطول فترة ممكنة من المعلومات الكمية التي تنتج من الدوائر الكهربائية (على سبيل المثال ، تدفق الإلكترونات في الدائرة ، في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة أو في كلا الاتجاهين في نفس الوقت) واستقرارها ، بحيث لا تضيع . وفقًا للدكتور ستيرن ، “يجب أن يكون الحساب الكمي مستقرًا قدر الإمكان ، وإلا فإن المعلومات الكمية تضيع. هذا هو السبب في أننا نحاول بناء أنواع جديدة من الكيوبتات وتحسينها والدوائر الكهربائية التي تتدفق فيها بحيث يتم الحفاظ على المعلومات الكمومية لأطول فترة ممكنة. بالإضافة إلى ذلك ، نحاول الاتصال بأنظمة خارجية مجهرية ، خارج الدوائر الكمية فائقة التوصيل. هذه الأنظمة عبارة عن شوائب (ذرات غريبة) داخل أشباه الموصلات ، مثل بلورة السيليكون. هذه الشوائب لديها إمكانات هائلة لتخزين المعلومات الكمية. يمكنهم الاحتفاظ بها إلى أجل غير مسمى تقريبًا وعند الضرورة نقلها مرة أخرى إلى وحدات البت ، مثل الشريط (BUS) الذي يربط المعالج بالذاكرة في الكمبيوتر الكلاسيكي “. اقتران بين الشوائب (ذرات غريبة) ودوائر فائقة التوصيل (رسم توضيحي). إمكانات هائلة لتخزين المعلومات الكمومية في إحدى دراساتهم الأخيرة ، والتي فازت بمنحة بحثية من مؤسسة العلوم الوطنية ، طور الباحثون كيوبت متدفقًا يتضمن دائرة فائقة التوصيل تتكون من ركيزة من السيليكون تعلوها مخمدات من الألومنيوم. بالإضافة إلى ذلك ، فهو يتضمن عدة تقاطعات جوزيفسون – مكون مركزي في البنية التحتية لأي كمبيوتر كمي فائق التوصيل ، والذي يتكون من وحدتين من الألومنيوم (موصلات فائقة) مع طبقة رقيقة من الأكسيد (مادة عازلة) بينهما. وهكذا قاموا بإنشاء دائرة تيار كهربائي مجهري يمكن أن تتحرك في وقت واحد إلى اليمين وإلى اليسار (وضع التراكب) ، في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة. في الوقت نفسه ، بنى الباحثون دائرة رنان – دائرة كهربائية فائقة التوصيل تعتمد على الألومنيوم وتتيح قراءة حالة الكيوبت (أي إذا كانت الدائرة الكهربائية داخلها تتحرك في اتجاه واحد أو اتجاهين ، أو في كلا الاتجاهين في نفس الوقت) ؛ تقترن هذه الدائرة بالكيوبت ، ويتغير ترددها وفقًا لحالتها ، وبالتالي يمكن معرفة ما إذا كان الكيوبت يعمل بشكل صحيح ويحافظ على المعلومات الكمومية. أنتج الباحثون حوالي 30 كيوبت ، وباستخدام دارة رنانة قاسوا وظيفتها وقاسوا طول الوقت الذي تصرفوا فيه كميًا واحتفظوا بالمعلومات الكمومية. بهذه الطريقة اكتشفوا أن هذه المعلومات يمكن حفظها لمدة 30 ميكروثانية. أنتج الباحثون حوالي 30 كيوبت ، وباستخدام دارة رنانة قاسوا وظيفتها وقاسوا طول الوقت الذي تصرفوا فيه كميًا واحتفظوا بالمعلومات الكمومية. هذه هي الطريقة التي اكتشفوا بها أن هذه المعلومات كان من الممكن حفظها لمدة 30 ميكروثانية – يطول التماسك (مدة التراكب) مقارنةً بما هو موجود اليوم (خمس مرات). في الخطوة التالية ، يخططون لربط الكيوبت الجديد بالشوائب الموجودة داخل بلورات الألماس والسيليكون واختبار مدى قدرتهم على الحفاظ على المعلومات الكمومية. وبالتالي يأملون في مواصلة بناء أساس متين وموثوق للحوسبة الكمومية. الحياة نفسها: الدكتور مايكل ستيرن الدكتور مايكل ستيرن ، 45 عامًا ، يعيش في جفعات شموئيل ، متزوج وأربع بنات (9-19) ، هاجر إلى إسرائيل من فرنسا عندما كان عمره 24 عامًا. حصل على بكالوريوس و حاصل على درجة الماجستير في الهندسة الكهربائية من جامعة Centrale Supelec في باريس ودرجة ثالثة في بصريات أشباه الموصلات من معهد وايزمان للعلوم. قام بأبحاث ما بعد الدكتوراه في مجال الدوائر فائقة التوصيل في معهد الطاقة الذرية (CEA) في باريس. ثم أسس مختبر أنظمة الكم الهجينة في جامعة بار إيلان ، واليوم يخصص معظم وقته لإدارته.