یک پیشرفت جدید در تحقق اینترنت کوانتومی

دستکاری میدان مغناطیسی اطراف «کیوبیت‌های خالی قلع» می‌تواند سیگنال‌هایی را که از آنها برای تحقق اینترنت کوانتومی نیاز داریم، تقویت کند.

کد خبر: ۱۲۲۰۸۲۲

دوشنبه - ۰۸ بهمن ۱۴۰۳ / January 27, 2025

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، دانشمندان می‌دانند که کیوبیت‌های خالی قلع کلید تحقق اینترنت کوانتومی هستند که شبکه‌ای انقلابی و فوق‌ایمن است که قوانین فیزیک کوانتومی را برای تعریف مجدد ارتباطات و محاسبات در مقیاس جهانی به کار می‌گیرد.

با این حال، آنها قادر به درک پتانسیل «کیوبیت‌های خالی قلع» (tin vacancy qubits) نیستند. این به این دلیل است که اسپین (چرخش)، قدرت سیگنال‌های کیوبیت‌های خالی قلع را تعیین می‌کند.

محققان دانشگاه استنفورد برای اولین بار به یک نقطه عطف خود در ابداع یک نوع کیوبیت معروف به «مرکز خالی قلع در الماس» (tin vacancy center in diamond) دست یافتند که در آن دو اتم کربن الماس را با یک اتم قلع جایگزین کردند. یک کیوبیت خالی قلع می‌تواند در یکی از دو حالت به نام‌های «چرخش بالا» (spin-up) و «چرخش پایین» (spin-down) باشد.

اریک روزنتال (Eric Rosenthal)، پژوهشگر فوق دکترا در دانشگاه استنفورد گفت: با این حال، تاکنون اندازه‌گیری چرخش این کیوبیت مانند تلاش برای دریافت یک سیگنال نوری بسیار بسیار ضعیف و تلاش برای چشم دوختن در نور کم برای تعیین اینکه آیا چرخش کیوبیت به بالا یا پایین است، بود.

اینجاست که یک مطالعه جدید از روزنتال و تیمش می‌تواند تفاوت بزرگی ایجاد کند. آنها راهی برای اندازه‌گیری چرخش کیوبیت‌های مبتنی بر قلع با دقت ۸۷ درصد کشف کرده‌اند که قدرت سیگنال‌های این کیوبیت‌ها را تا حد زیادی افزایش می‌دهد.

تاباندن نور بر مفهوم کیوبیت‌های خالی قلع

یک کیوبیت خالی قلع زمانی تشکیل می‌شود که دو اتم کربن در یک الماس با یک اتم قلع جایگزین شوند. این مرکز قلع دارای خواص نوری استثنایی است، زیرا فوتون‌هایی را در محدوده طول موج مخابراتی ساطع می‌کند که برای کاربرد‌های ارتباطی کوانتومی بسیار مناسب است.

دستیابی به ارتباطات کوانتومی پایدار از طریق این کیوبیت‌ها نیاز به اندازه‌گیری دقیق و کنترل بر روی حالت‌های چرخش آنها دارد. با این حال، «کیوبیت خالی قلع» می‌تواند در یکی از دو حالت چرخش بالا یا پایین باشد. نویسندگان این مطالعه خاطرنشان می‌کنند که سیگنال چرخش مبهم و خواندن آن دشوار است.

محققان برای غلبه بر این چالش، ابتدا چگونگی تعامل مراکز قلع با محیط اطراف خود را بررسی کردند و سپس برخی از عوامل فیزیکی را برای افزایش قدرت سیگنال تغییر دادند. به عنوان مثال، آنها میدان مغناطیسی اطراف کیوبیت‌ها را دوباره تراز کردند، به طوری که روشنایی آنها را به حداکثر رساند.

سوویک بیسواس (Souvik Biswas)، یکی از نویسندگان این مطالعه و یکی از همکاران تحقیقاتی فوق دکترا در دانشگاه استنفورد می‌گوید: شما می‌توانید یک میدان مغناطیسی داشته باشید که جهت‌گیری درستی نداشته باشد و سپس کیوبیت روشن به نظر نمی‌رسد. ما محیط فیزیکی را با استفاده از چند عامل تغییر دادیم که تاکنون انجام نشده بود.

محققان همچنین چگونگی تأثیر عوامل مختلف مانند میدان مغناطیسی، بازخوانی چرخش و کنترل چرخش مایکروویو را بررسی کردند. علاوه بر این، آنها تنظیمات آزمایشی خود را برای دریافت سیگنال‌های قوی و ضعیف بهینه کردند.

بیسواس افزود: این کار مثل ساختن دوربینی بود که می‌تواند تصاویر واقعاً ضعیف را ببیند.

محققان در اکثر آزمایش‌های «کیوبیت خالی قلع» باید صد‌ها اندازه‌گیری را انجام دهند و سپس نتایج را میانگین‌گیری کنند تا وضعیت چرخش کیوبیت را به شکل دقیق تعیین کنند. این فرآیند زمان‌بر است و سرعت و قابلیت اطمینان کیوبیت را محدود می‌کند.

با این حال، تغییرات ایجاد شده توسط نویسندگان مطالعه در محیط فیزیکی کیوبیت‌ها و تنظیم آنها، محققان را قادر می‌سازد تا وضعیت چرخش کیوبیت را در یک شات بدون نیاز به خواندن چندگانه بخوانند.

نویسندگان این مطالعه خاطرنشان می‌کنند: ما اندازه‌گیری یک چرخش الکترونیکی «کیوبیت خالی قلع» را با صحت بازخوانی تک‌شات ۸۷.۴ درصدی نشان می‌دهیم که می‌تواند با شرطی کردن بازخوانی‌های متعدد تا ۹۸.۵ درصد بهبود یابد.

محققان می‌گویند این پیشرفت ما را یک قدم به تحقق اینترنت کوانتومی نزدیکتر می‌کند. امیدواریم تحقیقات آینده درک ما از کیوبیت‌های خالی قلع و علم ارتباطات کوانتومی را بیشتر بهبود بخشد.

این مطالعه در مجله Physical Review X منتشر شده است.