حالت‌های کوانتومی نانوربون‌های جرمانیومین با یک میدان الکتریکی روشن و خاموش میشوند!

به گزارش مجله خبری نگار/برنا،محققان هلندی برای اولین بار نشان دادند که می‌توان حالت‌های کوانتومی نانوربون‌های جرمانیومین (ماده‌ای شبیه گرافن ساخته شده از یک لایه اتم‌های ژرمانیم) را تنها با استفاده از میدان الکتریکی روشن و خاموش کرد. این کشف می‌تواند مسیر جدیدی برای ساخت بلوک‌های کوانتومی پایدار و مقاوم در برابر نویز در رایانه‌های کوانتومی آینده ایجاد کند.

تیم‌های دانشگاه توئنته و دانشگاه اوترخت نشان دادند که حالت‌های پایانی توپولوژیکی که در نوار‌های بسیار باریک جرمانیومین ظاهر می‌شوند با تغییر شدت میدان الکتریکی قابل کنترل هستند. این حالت‌ها به دلیل مقاومت طبیعی در برابر نویز، گزینه‌ای ایده‌آل برای استفاده در محاسبات کوانتومی به شمار می‌روند.

ویژگی‌های جرمانیومین

جرمانیومین مانند گرافن رفتار می‌کند، اما از یک لایه اتم‌های ژرمانیم تشکیل شده که به صورت ورقی کمی موج‌دار کنار هم قرار گرفته‌اند. هنگامی که این ماده به نوار‌های بسیار باریک ۲ تا ۴ شش‌ضلعی بریده شود حالت‌های توپولوژیکی صفر بعدی در لبه‌ها ایجاد می‌شوند. محققان معتقدند این حالت‌های لبه‌ای می‌توانند به عنوان اجزای کیوبیت‌های پایدارتر عمل کنند، زیرا اطلاعات کوانتومی را بهتر از حالت‌های کوانتومی معمولی حفظ می‌کنند.

در مطالعه جدید محققان نانوربون‌های جرمانیومین را تحت میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی قرار دادند و با تغییر دقیق فاصله نوک میکروسکوپ تا سطح میدان الکتریکی محلی را تنظیم کردند. با افزایش یا کاهش این میدان حالت‌های کوانتومی لبه‌ای به صورت کنترل‌شده ناپدید یا ظاهر شدند.

اسرا دی ون‌ت وستنده از دانشگاه توئنته می‌گوید: ما می‌توانیم این حالت‌های پایانی توپولوژیکی را کاملا تحت کنترل الکتریکی قرار دهیم. با تغییر فاصله بین نوک میکروسکوپ و نانوربون، میدان الکتریکی محلی را تنظیم کرده و عملاً حالت کوانتومی را روشن یا خاموش می‌کنیم.

رفتار حالت‌ها بسته به پهنای نوار متفاوت بود؛ در نوار‌های فوق باریک، حالت پایانی در میدان‌های کم واضح بود، اما با افزایش میدان ناپدید می‌شد در حالی که در نوار‌های پهن‌تر میدان قوی‌تر باعث فعال شدن حالت‌های توپولوژیکی می‌شد. مدل‌سازی نظری توسط گروه دانشگاه اوترخت نشان داد که چرا این مکانیزم بسته به هندسه نوار متفاوت عمل می‌کند.

مسیر به سمت کیوبیت‌های پایدار

این کشف بخشی از برنامه ملی هلند با نام QuMat است که بر طراحی مواد کوانتومی نسل بعدی با همکاری نزدیک میان آزمایشگران و نظریه‌پردازان تمرکز دارد.

پانتلیس بامپولیس از دانشگاه توئنته می‌گوید: این پروژه نشان می‌دهد چرا QuMat وجود دارد؛ گروه‌های تجربی و نظری با همکاری هم مواد جدیدی برای دستگاه‌های کوانتومی آینده طراحی می‌کنند.

نتایج این مطالعه نوید آینده‌ای را می‌دهد که در آن کیوبیت‌ها می‌توانند از حالت‌های توپولوژیکی محافظت‌شده ساخته شوند و تنها با میدان‌های الکتریکی کنترل شوند، بدون نیاز به میدان‌های مغناطیسی یا تنظیمات پیچیده دیگر. چنین کنترلی برای مقیاس‌پذیری سخت‌افزار کوانتومی و ساخت تراشه‌هایی با میلیون‌ها کیوبیت حیاتی است چیزی که فناوری‌های فعلی با آن مشکل دارند.

در حال حاضر این پیشرفت در سطح تحقیقات بنیادی باقی مانده است، اما توانایی کنترل حالت‌های کوانتومی نانوربون‌های جرمانیومین تنها با یک میدان الکتریکی محلی گامی مهم در مسیر یافتن بلوک‌های کوانتومی پایدار محسوب می‌شود.

این مطالعه در نشریه Physical Review Letters منتشر شده است.