يستخدم علماء جامعة هارفارد موجات صوتية صغيرة لحماية المعلومات الكمومية

نفس الاهتزازات الصغيرة التي تحمل المعلومات الكمومية عبر الشريحة يمكن أيضًا أن تمنع تلك المعلومات من التلاشي.

تواجه التقنيات الكمومية مشكلة مستمرة: فالبتات الكمومية حساسة للغاية للاضطرابات الصادرة عن محيطها. تمكن الباحثون في كلية هارفارد جون بولسون للهندسة والعلوم التطبيقية (SEAS) الآن من حماية الكيوبت باستخدام الاهتزازات الميكانيكية، وهي في الأساس موجات صوتية على المستوى الكمي.

جاء التقدم من مختبر ماركو لونار، أستاذ الهندسة الكهربائية في تيانساي لين. يمكن أن يساعد في جعل الشبكات الكمومية أصغر حجمًا، وتقليل التداخل بين المكونات، وتوصيل أنواع مختلفة من الكيوبتات داخل نظام هجين واحد.

بناء شبكات الكم مع الصوت

البحث الذي نشر في فيزياء الطبيعة، بقيادة تجريبية بواسطة إليزا كورنيل وتشوجينغ شو. أكملت كورنيل مؤخرًا درجة الدكتوراه. في مختبر لونار وهو الآن باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة بوسطن، بينما شو هو باحث سابق في مرحلة ما بعد الدكتوراه في المجموعة.

يستخدم النظام دوران الإلكترون المرتبط بشوائب ذرية في الماس كذاكرة كمومية ثابتة. يمكن للجسيمات الاهتزازية المعروفة باسم الفونونات أن تنقل المعلومات الكمومية بين عقد الذاكرة هذه، مثلما تحمل الفوتونات المعلومات عبر الشبكات الضوئية.

لقد ساعد مختبر Lončar سابقًا إنشاء الإمكانات لهذا النهج من خلال تطوير تجاويف صوتية. تحصر هذه الهياكل الاهتزازات في منطقة صغيرة، مما يزيد من تفاعلها مع دوران الإلكترون.

تمتلك الفونونات أطوال موجية أقصر بكثير من موجات الضوء ذات التردد نفسه، مما يسمح للمكونات الكمومية بشغل مساحة أقل بكثير على الشريحة. يمكنهم أيضًا تجربة تداخلات أقل، والبقاء محصورين في التجاويف لفترات طويلة في درجات حرارة منخفضة، والتفاعل مع كل من دوران الحالة الصلبة والمجالات الكهرومغناطيسية. وهذا المزيج يجعلها روابط واعدة بين التقنيات الكمومية غير المتوافقة.

مشكلة الذاكرة الكمومية

إن التفاعل القوي مع الفونونات يأتي بمقايضة صعبة. يجب أن تحافظ الذاكرة الكمومية المفيدة على التماسك، مما يعني أنها يجب أن تحتفظ بحالتها الكمومية لفترة كافية لتخزين المعلومات أو معالجتها أو نقلها. يمكن للضوضاء البيئية أن تدمر تلك الحالة بسرعة.

عادةً ما يكافح الباحثون هذه الضوضاء باستخدام نبضات الموجات الدقيقة الموقوتة بعناية. ومع ذلك، فإن تسلسلات النبض هذه غير مناسبة لتدوير الكيوبتات الموضوعة داخل تجاويف صوتية رنانة، مما يخلق تعارضًا بين اقتران الفونون القوي والذاكرة الكمومية المتينة.

وقد تناول فريق جامعة هارفارد هذا الصراع من خلال ما أسماه “حماية التماسك الميكانيكية بالكامل”. بدلًا من الاعتماد على نبضات الموجات الميكروية التقليدية، قام الباحثون باستمرار بتحريك دوران السيليكون الشاغر في الماس باستخدام الفونونات، وتحويله إلى حالة محمية تُعرف باسم الكيوبت الملبس.

تؤدي الفونونات وظيفتين

يوصف الكيوبت الملبس بأنه “يرتدي” المجال الصوتي المستمر المحيط به. يؤدي هذا إلى تغيير كيفية استجابة الكيوبت لبيئته، مما يجعله أقل عرضة للضوضاء منخفضة التردد التي قد تؤدي إلى تعطيل معلوماته المخزنة.

ونظرًا لأن المجال الوقائي ميكانيكي، فإنه يمكن أن يعمل داخل نفس التجاويف الصوتية المخصصة لربط العقد الكمومية الثابتة. وبالتالي يمكن للفونونات أن تؤدي وظيفتين في جهاز واحد: نقل المعلومات الكمومية بين الكيوبتات وحماية تلك المعلومات أثناء تخزينها.

وقال كورنيل: “نحن نحل مشكلتين”. “نريد أن يكون للسبين تفاعل قوي مع الفونونات، ونريد أن يتمتع السبين بزمن تماسك طويل. وتوضح ورقتنا البحثية طريقة لتمديد وقت التماسك المتوافق مع وجود مركز شواغر السيليكون في تجويف.”

تحكم أسرع وتماسك أطول

أدت هذه التقنية إلى تمديد زمن التماسك لدوران السيليكون الشاغر بمقدار ثلاثة أضعاف تقريبًا، مما يوضح أن كبت الضوضاء الميكانيكية للموجة المستمرة يمكن أن يحمي المعلومات الكمومية في جهاز حقيقي.

وحقق الباحثون أيضًا ترددًا ربيعيًا قدره 800 ميجاهرتز، مما يتيح التحكم السريع بشكل استثنائي في الدوران. معًا، يمكن للتماسك الأطول والتشغيل السريع أن يدعما بوابات كمومية عالية الدقة تتوسطها الفونونات، مما يجعل الشبكات الكمومية المدمجة الموجودة على الرقاقة أقرب إلى الاستخدام العملي.

المرجع: “حماية التماسك الميكانيكي بالكامل والتحكم السريع في الكيوبت المغزلي” بقلم إليزا كورنيل، وتشوجينغ شو، وتشاويو وانغ، وهانا ك. وارنر، وإليانا مان، ومايكل هاس، وسمارك مايتي، وغراهام جو، وليانغ جيانغ، وبيتر رابل، وبنجامين بينجولت، وماركو لونكار، 15 يوليو 2026، فيزياء الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41567-026-03369-2

تلقى هذا البحث الدعم الفيدرالي الأمريكي من مؤسسة العلوم الوطنية بموجب رقم المنحة EEC-1941583؛ مكتب القوات الجوية للبحث العلمي تحت رقم الجائزة FA9550-23-1-0333 وFA9550-23-1-0338؛ وQ-NEXT، مركز أبحاث علوم معلومات الكم الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية تحت الجائزة رقم DE-FOA-0002253. تم تنفيذ العمل جزئيًا في مركز هارفارد للأنظمة النانوية، وهو عضو في الشبكة الوطنية للبنية التحتية لتقنية النانو، والتي تدعمها جائزة مؤسسة العلوم الوطنية رقم ECS-0335765.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.