انقلاب در دنیای کوانتوم؛ رایانه‌های کوانتومی به اندازه یک سکه نزدیک شدند

پژوهشگران دانشگاه وین موفق شده‌اند طول عمر مگنون‌ها را تا حدود ۱۰۰ برابر افزایش دهند؛ دستاوردی که می‌تواند مسیر ساخت رایانه‌های کوانتومی بسیار کوچک و قدرتمند را هموار کند. این پیشرفت جدید احتمال ساخت رایانه‌های کوانتومی در ابعاد یک سکه را مطرح کرده و گامی مهم در توسعه نسل آینده فناوری‌های کوانتومی به شمار می‌رود.

به گزارش science daily، مگنون‌ها نوعی موج بسیار کوچک مغناطیسی هستند که در مواد مغناطیسی جامد حرکت می‌کنند و عملکردی مشابه موج‌هایی دارند که پس از افتادن سنگ روی سطح آب ایجاد می‌شود. برخلاف فوتون‌ها که می‌توانند در فضای خالی یا فیبر‌های نوری حرکت کنند مگنون‌ها تنها درون مواد مغناطیسی جامد جابه‌جا می‌شوند.

دانشمندان می‌گویند یکی از مزیت‌های مهم مگنون‌ها اندازه فوق‌العاده کوچک طول موج آنها است؛ به‌گونه‌ای که مدار‌های مبتنی بر مگنون می‌توانند در مقیاس نانومتری ساخته شوند و روی تراشه‌هایی هم‌اندازه تراشه‌های گوشی‌های هوشمند قرار گیرند. علاوه بر این مگنون‌ها به‌طور طبیعی می‌توانند با شبه‌ذرات بنیادی دیگری مانند فونون‌ها و فوتون‌ها تعامل داشته باشند و همین ویژگی آنها را به گزینه‌ای امیدوارکننده برای سامانه‌های کوانتومی هیبریدی و فناوری‌های اندازه‌گیری کوانتومی تبدیل کرده است.

با وجود این قابلیت‌ها مشکل اصلی مگنون‌ها تاکنون طول عمر بسیار کوتاه آنها بود. در بهترین شرایط این ذرات تنها چند صد نانوثانیه قادر به حمل اطلاعات کوانتومی بودند؛ زمانی بسیار کوتاه که استفاده عملی از آنها در رایانه‌های کوانتومی را تقریبا غیرممکن می‌کرد.

اکنون تیم تحقیقاتی به سرپرستی وینر موفق شده است طول عمر مگنون‌ها را به ۱۸ میکروثانیه برساند؛ رکوردی که تقریبا ۱۰۰ برابر بیشتر از تمامی اندازه‌گیری‌های پیشین است. پژوهشگران می‌گویند در این مقیاس زمانی مگنون‌ها دیگر صرفا سیگنال‌هایی کوتاه‌عمر نیستند، بلکه می‌توانند به حامل‌های پایدار اطلاعات کوانتومی تبدیل شوند؛ قابلیتی که آنها را به کیوبیت‌های ابررسانای مورد استفاده در رایانه‌های کوانتومی امروزی نزدیک می‌کند.

سرمای فوق‌العاده و بلور‌های خالص؛ راز افزایش طول عمر مگنون‌ها

این پیشرفت از ترکیب دو راهکار مهم به دست آمده است. نخست پژوهشگران به‌جای استفاده از مگنون‌های معمولی از مگنون‌های با طول موج کوتاه استفاده کردند. این نوع مگنون‌ها کمتر تحت تاثیر نقص‌های سطحی بلور قرار می‌گیرند؛ نقص‌هایی که در آزمایش‌های قبلی یکی از عوامل اصلی کاهش طول عمر مگنون‌ها محسوب می‌شدند.

در مرحله دوم محققان کره‌هایی بسیار خالص از ماده‌ای به نام گارنت آهن ایتریوم (YIG) را داخل یک سامانه سرمایشی ویژه قرار دادند و دمای آن را تا ۳۰ میلی‌کلوین، یعنی تنها کسری بسیار کوچک بالاتر از صفر مطلق کاهش دادند. در چنین دمای فوق‌العاده پایینی، فرآیند‌های گرمایی که معمولا موجب تخریب مگنون‌ها می‌شوند تقریبا به‌طور کامل متوقف می‌شوند.

پژوهشگران همچنین دریافتند محدودیت باقی‌مانده در طول عمر مگنون‌ها ناشی از قوانین بنیادی فیزیک نیست بلکه به ناخالصی‌های بسیار جزئی داخل بلور‌ها مربوط می‌شود. آنها سه نمونه با درجات خلوص متفاوت را آزمایش کردند و مشاهده شد هرچه خلوص ماده بیشتر باشد مگنون‌ها دوام بیشتری خواهند داشت. حتی کم‌خلوص‌ترین نمونه نیز عملکردی بهتر از تمامی رکورد‌های قبلی ثبت کرد.

این یافته نشان می‌دهد پیشرفت‌های آینده احتمالا بیش از هر چیز به توسعه مواد فوق‌خالص و پیشرفت در علم مواد وابسته خواهد بود.

پیامد‌های این کشف برای فناوری کوانتومی

دانشمندان معتقدند افزایش طول عمر مگنون‌ها تا ۱۸ میکروثانیه می‌تواند آنها را از اجزایی ضعیف و موقت به حافظه‌های قدرتمند کوانتومی و کانال‌های ارتباطی کارآمد روی تراشه تبدیل کند.

یکی از کاربرد‌های مهم این فناوری امکان اتصال صد‌ها کیوبیت از طریق یک مسیر مشترک است؛ قابلیتی که می‌تواند نقش اتوبوس کوانتومی را برای رایانه‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر ایفا کند.

از سوی دیگر به دلیل توانایی مگنون‌ها در تعامل با انواع مختلف سامانه‌های کوانتومی این ذرات می‌توانند به‌عنوان نوعی مترجم جهانی در معماری‌های کوانتومی هیبریدی عمل کنند و فناوری‌هایی را که تاکنون امکان ارتباط مستقیم با یکدیگر نداشتند به هم متصل کنند.

نتایج این مطالعه به‌تازگی در نشریه علمی Science Advances منتشر شده است.