بهبود حافظه کوانتومی با اعمال ولتاژ به رشته‌های الماس

[Ops]

تحقیقات جدید نشان داده است که اعمال ولتاژ به الماس‌های برش داده شده به شکل رشته رشته می‌تواند توانایی کیوبیت‌ها را برای به یاد آوردن اطلاعات افزایش دهد.

اینترنت کوانتومی که از سیگنال‌های کوانتومی به جای امواج رادیویی استفاده می‌کند، برای پتانسیل بالای خود در ارسال اطلاعات به طور کاملا ایمن شناخته می‌شود.


از طریق رمزنگاری کوانتومی توسط توزیع کلید کوانتومی، پیام‌های رمزنگاری شده و کلیدهای آنها به طور جداگانه ارسال می‌شوند و موجب تخریب فوری هرگونه پیام جعلی می‌شود.


این فرآیند به تعویق انداخته شده است، چرا که استفاده از بیت‌های کوانتومی(کیوبیت‌ها)، نیاز به حافظه کوانتومی که یک رابط کاملا جدید و پیچیده است، دارد.


حافظه کوانتومی ناپایدار است، زیرا کیوبیت‌ها نسبت به عوامل محیطی بسیار حساس هستند و در نتیجه به راحتی می‌توانند اطلاعات را حفظ و فراخوانی کنند.


در پردازش کوانتومی، یک کیوبیت یابیت کوانتومی واحد پایه‌ای پردازش کوانتومی و رمزنگاری کوانتومی و مشابه بیت در رایانه‌های کلاسیک می‌باشد.


کیوبیت کوچکترین واحد ذخیره اطلاعات و معیاری از مقدار اطلاعات کوانتومی است. از نظر فیزیکی، کیوبیت یک سامانه کوانتومی دو حالتی است، یعنی سیستمی که توسط مکانیک کوانتومی به درستی قابل توصیف است و هنگام اندازه‌گیری یکی از دو حالت ممکن، خود را اختیار می‌کند.


مانند قطبش یک فوتون که در اینجا، جهت قطبش عمودی و جهت قطبش افقی دو حالت ممکن برای سامانه هستند. در یک سامانه کلاسیکی، هر بیت در هر لحظه یا در حالت صفر یا در حالت یک است، اما اصل‌های مکانیک کوانتومی به کیوبیت اجازه می‌دهند که در همان حال، حالتی را برابر با برهم‌نهی دو حالت اصلی نیز اختیار کند. این ویژگی در پردازش کوانتومی بنیادی است.

به عبارتی، یک کیوبیت هم ممکن است در حالت‌های کلاسیک صفر و یک وجود داشته باشد و هم می‌تواند در حالت ترکیب این دو قرار گیرد. یعنی همزمان دارای هر دو حالت صفر و یک باشد. در واقع همین پدیده، تفاوت اصلی بین بیت‌های کلاسیک و کیوبیت‌ها است. انتقال کیوبیت‌ها بنیان دانش "دور نوردی" کوانتومی است.

تنظیم رشته‌های الماس

در حال حاضر، یک مطالعه جدید منتشر شده در مجله Nature Communications که توسط محققان دانشکده مهندسی و علوم کاربردی هاروارد جان پالسون(SEAS) و محققان دانشگاه کمبریج انجام شده، راه حلی برای بهبود حافظه کوانتومی با افزایش ظرفیت کیوبیت‌ها برای به یاد آوردن اطلاعات را نشان می‌دهد.

مقاله نشان می‌دهد که رشته‌های طراحی شده از ناخالصی‌های الماس یا خرده تراشه‌های الماس می‌تواند برای آرام کردن محیط کیوبیت و بهبود حافظه آن از چند 10 نانوثانیه به چند صد نانوثانیه تنظیم شود.


"مارکو لونکار"، پروفسور مهندسی برق در SEAS و نویسنده ارشد این تحقیق در بیانیه‌ای گفت: ناخالصی‌ها در الماس به عنوان نقطه امید برای شبکه‌های کوانتومی ظهور کرده‌اند. هر چند کامل نیستند.


وی افزود: برخی از انواع ناخالصی‌ها در نگهداری اطلاعات واقعا خوب هستند، اما زمان ارتباط با مشکل مواجه هستند. در حالی که دیگر مواد، خوب ارتباط برقرار می‌کنند، اما از مشکل از دست دادن حافظه رنج می‌برند. اما ما، نوع دوم را به کار گرفتیم و حافظه را 10 برابر بهبود بخشیدیم.


مراکز رنگ خلاء سیلیکون
ناخالصی‌ها یا نقایص در الماس، "مراکز رنگی خلاء سیلیکون" نامیده می‌شوند و با به دام افتادن الکترون در مرکز آنها می‌تواند به عنوان یک بیت حافظه و کیوبیت عمل کند. با این حال، ارتعاشات پرصدای اتم‌های مجاور باعث می‌شود الکترون هر اطلاعات کوانتومی که در آن ذخیره شده را فراموش کند.

محققان برای آنکه بتوانند قدرت حافظه الکترون را در این محیط پرصدا بهبود ببخشند، الماس را به صورت رشته‌های نازک درآوردند که به دو سر آن الکترود متصل شده بود. هنگامی که یک ولتاژ اعمال شد، انبساط رشته، فرکانس ارتعاش را که الکترون به آن حساس است، افزایش می‌دهد. شبیه به همان شیوه‌ای که در تنظیم سیم‌های گیتار به کار گرفته می‌شود.


"سروجان میسالا" دستیار این پژوهش می‌گوید: با ایجاد تنش در رشته، ما مقیاس انرژی ارتعاش را که الکترون به آن حساس است، افزایش می‌دهیم. به این معنی که الکترون اکنون تنها می‌تواند ارتعاش بسیار پرانرژی را احساس کند.


وی افزود: این روند به طور موثری ارتعاشات اطراف را در کریستال به یک پس‌زمینه بی‌نظیر تبدیل می‌کند و الکترون را در داخل جای خالی قرار می‌دهد تا اطلاعات را به راحتی برای صدها نانوثانیه نگه دارد که می‌تواند مدت زمان زیادی در مقیاس کوانتومی باشد. یک مجموعه از این رشته‌های الماس قابل تنظیم می‌تواند به عنوان ستون فقرات اینترنت کوانتومی در آینده خدمت کند.


این تحقیق در حال توسعه است و محققان قصد دارند حافظه کوانتومی را به میلی‌ثانیه ارتقا دهند.