دائرة كمومية

قام الباحثون ببناء دائرة كهربائية يمكنها الاحتفاظ بالمعلومات الكمومية مع مرور الوقت، مما قد يحسن أداء الحوسبة الكمومية في المستقبل

تصف ميكانيكا الكم سلوك الطبيعة على نطاق صغير جدًا، ويهدف عالم الحوسبة الكمومية إلى استخدامها لمعالجة البيانات المتقدمة والسريعة. مبدأ عملها الرئيسي هو التراكب - وهي ظاهرة كمومية يمكن أن يكون فيها نظام واحد في حالتين في نفس الوقت. في الكمبيوتر الكمي، هذا النظام هو الكيوبت - البت الكمي (وحدة المعلومات) - والذي يمكن أن يكون 0 و1 في نفس الوقت (على عكس البتات في الكمبيوتر الكلاسيكي التي يمكن أن تكون في حالة تشغيل واحدة عند مرة واحدة، 0 أو 1). لذلك لديها إمكانات حسابية هائلة.

في السنوات العشرين الماضية، بدأ سباق تكنولوجي علمي لبناء الحوسبة الكمومية، وبدأت الدول والشركات العملاقة (مثل جوجل ومايكروسوفت وأمازون وآي بي إم) في استثمار الكثير من الجهد في تطويرها. البنية التحتية الرئيسية لهذه الحوسبة هي الدوائر الكهربائية فائقة التوصيل (التي توصل التيار الكهربائي دون مقاومة). وعندما يتم تبريدها إلى درجة الصفر، فإنها تتصرف كميًا. وهذه أيضًا هي الطريقة التي يتم بها الاتصال بين الكيوبت والكيوبت، مما يتيح تشكيل الحوسبة الكمومية.

يقوم الدكتور مايكل ستيرن من قسم الفيزياء في جامعة بار إيلان وفريقه ببناء دوائر كهربائية فائقة التوصيل (أي أساس الكمبيوتر الكمي المستقبلي) ويحاولون تحسين خصائصها. وذلك للحفاظ لأطول فترة ممكنة على المعلومات الكمومية 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) وثباتها، حتى لا يتم فقدانها .

وفقا للدكتور ستيرن، "يجب أن يكون الحساب الكمي مستقرا قدر الإمكان، وإلا سيتم فقدان المعلومات الكمومية. ولهذا 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 الكمومية فائقة التوصيل. هذه الأنظمة عبارة عن شوائب (ذرات غريبة) داخل شبه موصل، مثل بلورة السيليكون. تتمتع هذه الشوائب بإمكانيات هائلة لتخزين المعلومات الكمومية. يمكنهم الاحتفاظ بها إلى أجل غير مسمى تقريبًا وعند الضرورة نقلها مرة أخرى إلى الكيوبتات، مثل الشريط (BUS) الذي يربط المعالج بالذاكرة في الكمبيوتر الكلاسيكي."

وفي واحدة من أحدث دراساتهم، والتي فازت بمنحة بحثية من مؤسسة العلوم الوطنية، قام الباحثون بتطوير كيوبت التدفق الذي يتضمن دائرة فائقة التوصيل تتكون من ركيزة من السيليكون ومغطاة بفواصل من الألومنيوم. بالإضافة إلى ذلك، فهو يشتمل على عدة وصلات جوزيفسون - وهي مكون مركزي في البنية التحتية لأي حاسوب كمي فائق التوصيل، والذي يتكون من وحدتين من الألومنيوم (الموصلات الفائقة) مع طبقة رقيقة من الأكسيد (مادة عازلة) بينهما. وهكذا قاموا بإنشاء دائرة تيار كهربائي مجهرية يمكنها التحرك في وقت واحد إلى اليمين وإلى اليسار (وضع التراكب)، في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة. في الوقت نفسه، قام الباحثون ببناء دائرة مرنان - دائرة كهربائية فائقة التوصيل تعتمد على الألومنيوم وتجعل من الممكن قراءة حالة الكيوبت (أي إذا كانت الدائرة الكهربائية بداخلها تتحرك في اتجاه واحد أو اتجاهين، أو في كلا الاتجاهين في نفس الوقت)؛ تقترن هذه الدائرة بالكيوبت، ويتغير ترددها حسب حالته، وبالتالي يمكن معرفة ما إذا كان الكيوبت يعمل بشكل صحيح ويحافظ على المعلومات الكمومية.

أنتج الباحثون حوالي 30 من هذه الكيوبتات، وباستخدام دائرة مرنان قاموا بقياس وظيفتها وقياس طول الوقت الذي تتصرف فيه كميًا وتحتفظ بالمعلومات الكمومية. وهكذا اكتشفوا أن هذه المعلومات كان من الممكن الحفاظ عليها لمدة 30 ميكروثانية - التماسك (مدة التراكب) أطول مقارنة بما هو موجود اليوم (خمس مرات). وفي الخطوة التالية، يخططون لربط الكيوبت الجديد بالشوائب الموجودة داخل بلورات الألماس والسيليكون واختبار مدى قدرتهم على الحفاظ على المعلومات الكمومية. وبالتالي فإنهم يأملون في مواصلة بناء أساس متين وموثوق للحوسبة الكمومية.

الحياة نفسها:

الدكتور مايكل شتيرن، 45 سنة، يسكن في جفعات شموئيل، متزوج وله أربع بنات (19-9)، هاجر إلى إسرائيل من فرنسا عندما كان عمره 24 سنة، حصل على درجة البكالوريوس والماجستير في الهندسة الكهربائية في جامعة سنترال سوبيليك مؤسسة في باريس ودرجة ثالثة في بصريات أشباه الموصلات في معهد وايزمان للعلوم. أجرى أبحاث ما بعد الدكتوراه في مجال الدوائر فائقة التوصيل في معهد الطاقة الذرية (CEA) في باريس. ثم أسس مختبر الأنظمة الكمية الهجينة في جامعة بار إيلان، ويخصص اليوم معظم وقته لإدارته.