اكتشف المهندسون الأستراليون طريقة جديدة للتحكم الدقيق في الإلكترونات المفردة الموجودة في النقاط الكمومية التي تدير بوابات منطقية. علاوة على ذلك ، فإن الآلية الجديدة أقل حجمًا وتتطلب أجزاء أقل ، وهو ما قد يثبت أنه ضروري لجعل أجهزة الكمبيوتر الكمومية من السيليكون حقيقة واقعة.
الاكتشاف الصدفي ، الذي قام به مهندسون في شركة الحوسبة الكمومية الناشئة Diraq و UNSW Sydney ، تم تفصيله في المجلة طبيعة التكنولوجيا النانوية.
قال المؤلف الرئيسي الدكتور ويل جيلبرت ، مهندس معالج الكم في Diraq ، وهي شركة منبثقة عن جامعة نيو ساوث ويلز ومقرها سيدني: "كان هذا تأثيرًا جديدًا تمامًا لم نشهده من قبل ، وهو ما لم نفهمه تمامًا في البداية". الحرم الجامعي. لكن سرعان ما أصبح واضحًا أن هذه طريقة جديدة قوية للتحكم في السبينات في نقطة كمومية. وكان ذلك مثيرًا للغاية ".
البوابات المنطقية هي لبنة البناء الأساسية لجميع العمليات الحسابية ؛ أنها تسمح "بت" - أو أرقام ثنائية (0 و 1) - للعمل معًا لمعالجة المعلومات. ومع ذلك ، يوجد بت كمي (أو كيوبت) في كلتا الحالتين في وقت واحد ، وهي حالة تُعرف باسم "التراكب". يسمح هذا بالعديد من استراتيجيات الحساب - بعضها أسرع بشكل كبير ، والبعض الآخر يعمل في وقت واحد - والتي تتجاوز الحواسيب التقليدية. Qubits نفسها مكونة من "النقاط الكمومية، "أجهزة نانوية صغيرة يمكنها حبس إلكترون واحد أو عدد قليل من الإلكترونات. التحكم الدقيق في الإلكترونات ضروري لحدوث الحساب.
اكتشف مهندسو ديراق طريقة جديدة للتحكم الدقيق في الإلكترونات المفردة الموجودة في النقاط الكمومية التي تدير بوابات منطقية ، مما يجعل حقيقة تحقيق رقائق كمية تبلغ مليار كيلوبت أقرب. علاوة على ذلك ، فإن الآلية الجديدة أقل حجمًا وتتطلب أجزاء أقل ، وهو ما قد يثبت أنه ضروري لجعل أجهزة الكمبيوتر الكمومية من السيليكون حقيقة واقعة. الائتمان: ديراق
استخدام المجالات الكهربائية بدلاً من المجالات المغناطيسية
أثناء تجربة مجموعات هندسية مختلفة من الأجهزة التي لا يتجاوز حجمها أجزاء من المليار من المتر والتي تتحكم في النقاط الكمومية ، جنبًا إلى جنب مع أنواع مختلفة من المغناطيسات الصغيرة والهوائيات التي تقود عملياتها ، عثر الدكتور تومو تانتو على تأثير غريب.
يتذكر الدكتور تانتو ، مهندس القياس في ديراق ، "كنت أحاول حقًا تشغيل بوابة ثنائية الكيوبت بدقة ، مع تكرار العديد من الأجهزة المختلفة ، وأشكال هندسية مختلفة قليلاً ، ومكدسات المواد المختلفة ، وتقنيات التحكم المختلفة". ثم ظهرت هذه القمة الغريبة. بدا الأمر كما لو أن معدل الدوران لإحدى الكيوبتات كان يتسارع ، وهو ما لم أره مطلقًا منذ أربع سنوات من إجراء هذه التجارب ".
أدرك المهندسون فيما بعد أن ما اكتشفه كان طريقة جديدة للتلاعب بالحالة الكمومية لفرد واحد و qubit باستخدام المجالات الكهربائية ، بدلاً من المجالات المغناطيسية التي كانوا يستخدمونها سابقًا. منذ أن تم الاكتشاف في عام 2020 ، عمل المهندسون على إتقان هذه التقنية - التي أصبحت أداة أخرى في ترسانتهم لتحقيق طموح ديراق في بناء مليارات الكيوبتات على شريحة واحدة.
ينقلب المفهوم الفني للكيوبت الفردي الموجود داخل نقطة كمومية استجابة لإشارة الميكروويف. الائتمان: توني ميلوف
قال جيلبرت: "هذه طريقة جديدة للتلاعب بالكيوبتات ، وهي أقل حجمًا في البناء - لست بحاجة إلى تصنيع مغناطيسات الكوبالت الصغيرة أو هوائي بجوار الكيوبتات مباشرة لتوليد تأثير التحكم". "إنه يزيل متطلبات وضع هياكل إضافية حول كل بوابة. لذلك ، هناك فوضى أقل ".
يعد التحكم في الإلكترونات المفردة دون إزعاج الآخرين القريبين أمرًا ضروريًا لمعالجة المعلومات الكمومية في السيليكون. هناك طريقتان راسختان: "الرنين المغزلي للإلكترون(ESR) باستخدام هوائي ميكروويف على رقاقة ؛ والرنين الكهربائي ثنائي القطب (EDSR) ، والذي يعتمد على التدرج المستحث المجال المغنطيسي. تُعرف التقنية المكتشفة حديثًا باسم "EDSR في مدار الدوران الجوهري".
قال الدكتور تانتو: "في العادة ، نصمم هوائيات الميكروويف لتوصيل مجالات مغناطيسية بحتة". لكن هذا التصميم الخاص للهوائي ولّد مجالًا كهربائيًا أكثر مما كنا نريده - واتضح أن ذلك كان محظوظًا ، لأننا اكتشفنا تأثيرًا جديدًا يمكننا استخدامه لمعالجة الكيوبتات. هذه صدفة بالنسبة لك ".
منظر من الأعلى لعين الطائر لأحد معامل ديراق في سيدني ، أستراليا. الائتمان: شون دوجيرتي
يقرّب الاكتشاف الحوسبة الكمومية للسيليكون
قال البروفيسور أندرو دزوراك ، الرئيس التنفيذي ومؤسس ديراق ، وأستاذ هندسة الكم في جامعة نيو ساوث ويلز: "هذه جوهرة من الآلية الجديدة ، والتي تضيف فقط إلى مجموعة التكنولوجيا الخاصة التي طورناها على مدار العشرين عامًا الماضية من البحث". ، الذي قاد الفريق الذي بنى أول بوابة منطقية كمومية في السيليكون في عام 20.
وأضاف: "إنها تعتمد على عملنا لجعل الحوسبة الكمومية في السيليكون حقيقة واقعة ، تعتمد أساسًا على نفس تكنولوجيا مكونات أشباه الموصلات مثل رقائق الكمبيوتر الحالية ، بدلاً من الاعتماد على مواد غريبة". "نظرًا لأنه يعتمد على نفس تقنية CMOS مثل صناعة الكمبيوتر اليوم ، فإن نهجنا سيجعل من الأسهل والأسرع توسيع نطاق الإنتاج التجاري وتحقيق هدفنا المتمثل في تصنيع مليارات من وحدات البت على شريحة واحدة".
CMOS (أو شبه موصل أكسيد معدني مكمل ، يُنطق "سي موس") هو عملية التصنيع في قلب أجهزة الكمبيوتر الحديثة. يتم استخدامه لصنع جميع أنواع مكونات الدوائر المتكاملة - بما في ذلك المعالجات الدقيقة ووحدات التحكم الدقيقة وشرائح الذاكرة ودوائر المنطق الرقمي الأخرى ، بالإضافة إلى الدوائر التناظرية مثل مستشعرات الصور ومحولات البيانات.
رسم توضيحي للكيوبت الفردي عندما تبدأ الأشعة تحت الحمراء بالتسارع استجابةً لإشارة الميكروويف ، ويبدأ الإلكترون في الضجيج داخل النقطة الكمومية. الائتمان: توني ميلوف
يُطلق على بناء جهاز كمبيوتر كمي اسم "سباق الفضاء في القرن الحادي والعشرين" - وهو تحد صعب وطموح مع إمكانية تقديم أدوات ثورية لمعالجة الحسابات المستحيلة بخلاف ذلك ، مثل تصميم الأدوية المعقدة والمواد المتقدمة أو البحث السريع من قواعد البيانات الضخمة غير المصنفة.
قال دزوراك: "غالبًا ما نفكر في الهبوط على القمر باعتباره أعظم أعجوبة تكنولوجية للبشرية". "ولكن الحقيقة هي أن شرائح CMOS الحالية - مع مليارات من أجهزة التشغيل المدمجة معًا لتعمل مثل السيمفونية ، والتي تحملها في جيبك - هذا إنجاز تقني مذهل ، وأحدث ثورة في الحياة العصرية. ستكون الحوسبة الكمية مذهلة بنفس القدر ".
المصدر تعمل طريقة التحكم في الدوران الجديدة على تقريب رقائق كمية تبلغ مليار كيلوبت
