موفقیت دانشمندان در تعدیل الکترون آزاد در خلاء به بیت‌های کوانتومی

گفته می‌شود جمعی از دانشمندان فیزیک راهی برای تعدیل الکترون آزاد در خلاء به کیوبیت کشف کرده‌اند که می‌توان آن را گامی مهم در ابتکارات آینده در حوزه رایانش کوانتومی توصیف کرد.

قوانین فیزیک کوانتومی نه‌تنها خارق‌العاده هستند، بلکه برخی از امکانات گسترده و منحصربه‌فرد را برای پردازش اطلاعات پیشرفته، محاسبات کوانتومی و رمزنگاری ارائه می‌دهند که می‌توان از آن به‌عوان رنسانسی جدید در بسیاری از زمینه‌ها یاد کرد. تاکنون، بلوک‌های اصلی برای چنین عملیات کوانتومی، مدارهای الکتریکی به شکل تشدیدگرهای اَبَررسانا، نور به شکل فوتون یا اتم‌ها به شکل زنجیره‌های یونی بوده‌اند. بااین‌حال، همه این سیستم‌های کوانتومی دارای معایبی هستند که دانشمندان را برای جستجوی جایگزین‌های مفید و کارآمدی برای آن‌ها ترقیب می‌کند.

اکنون گفته می‌شود که دانشمندان دپارتمان فیزیک دانشگاه کنستانز راهی برای تعدیل الکترون‌های آزاد در خلاء به بیت کوانتومی دو سطحی یا همان کیوبیت یافته‌اند. چنین کیوبیت‌هایی بلوک‌های سازنده پردازش اطلاعات در کامپیوترهای کوانتومی هستند؛ ماشین‌های پردازشی غول‌آسایی که درحال‌حاضر با مشکلات متعددی از قبیل مقیاس‌پذیری، مقاومت کیوبیت‌ها و... دست‌وپنجه نرم می‌کنند. بنابراین هرگونه دستاورد جدید می‌تواند ما را قدمی دیگر بر انقلاب پردازشی نزدیک‌تر کند.

مقاله‌ی علمی منتشرشده از آن حکایت دارد که محققان برای تولید کیوبیت‌های الکترون آزاد خود از پرتو میکروسکوپ الکترونی عبوری استفاده و آن را با میدان الکتریکی نور لیزر کلاسیک قطع کرده‌اند. پروفسور پیتر باوم، رهبر تیم تحقیقاتی در این‌باره می‌گوید:

تداخل‌های موج ماده، یک مدولاسیون دوره‌ای از انرژی الکترون را به سطوح انرژی گسسته و کاملا تعریف‌شده ایجاد می‌کند که ما از آن به‌عنوان منبعی برای تشکیل کیوبیت‌ها استفاده می‌کنیم.

به‌طورکلی، در نوسانات موج نور، الکترون‌های پرتو به‌صورت متناوب و متوالی، بسیار سریع شتاب می‌گیرند و طبیعتا پس از مدت کوتاهی نیز شتابشان ازبین می‌رود. پیتر باوم، رهبر تیم تحقیقاتی توضیح می‌دهد که این برهمکنش سریع بین پرتو الکترونی و چرخه‌های نوریِ نور لیزر منجر به مدولاسیون دوره‌ای انرژی الکترون به سطوح انرژی گسسته و کاملا مشخص می‌شود و ظاهرا آن‌ها از این کوانتیزاسیون که با ابزارهایشان قابل تشخیص است، به‌عنوان منبعی برای تشکیل کیوبیت‌ها استفاده می‌کنند.

جالب است بدانید که پیوستگی الکترون و پرتو لیزر در آزمایش تنها به پدیده‌های توصیف‌شده در حوزه انرژی که برای تولید کیوبیت مرتبط هستند، ختم نمی‌شود؛ بلکه با انتخاب صحیح پارامترهای لیزر، پدیده‌های مفید دیگری در حوزه زمان به‌وجود می‌آیند. برای مثال، پرتو الکترونی به دنباله‌ای از پالس‌های الکترونی بسیار کوتاه با مدت دوام کم در محدوده اتوثانیه تبدیل می‌شود. پیتر باوم در توضیح این فرایند می‌گوید:

این مربوط به میلیونم یک میلیاردم ثانیه است و حتی نور فقط اندازه یک مولکول بزرگ‌تر را در چنین بازه زمانی پوشش می‌دهد. چنین پالس‌های الکترونی بسیار کوتاه برای میکروسکوپ الکترونی فوق سریع و برهمکنش‌های پیچیده نور/ماده مفید هستند؛ جایی که آن‌ها حداکثر تفکیک زمانی را علاوه‌بر وضوح فضایی بسیار زیاد در سطح اتمی امکان‌پذیر می‌کنند.

یکی دیگر از ویژگی‌های عملی کیوبیت‌ها و پالس‌های الکترون اتوثانیه در آزمایش، نرخ تولید بالای آن‌ها است. بد نیست بدانید که حدود یک میلیارد کیوبیت یا پالس الکترونی در هر ثانیه تولید می‌شود! این شار بالا با استفاده از یک منبع الکترونی پیوسته و غیر پالسی و پرتو لیزر پیوسته و غیر پالسی به‌دست می‌آید؛ ازاین‌رو تقریبا هر الکترون آزاد در پرتو الکترونی مدوله و تولید کیوبیت تنها با محدودیت عملکرد منابع الکترونی پرانرژی مدرن محدود می‌شود.

البته این تنها دلیلی نیست که الکترون‌ها و کیوبیت‌های آزاد لیزری را به عناصری جالب و کاربردی برای تحقیقات بیشتر تبدیل می‌کند. برای مثال، در خلاء فضای آزاد، یک الکترون به‌عنوان یک ذره بنیادی با هیچ ماده‌ای برهمکنش نمی‌کند؛ بنابراین به‌اصطلاح ناپیوستگی (ازدست‌دادن اطلاعات در محیط) بسیار کند است. افزون‌براین، کنترل نوری لیزری پرتوهای الکترونی تطبیق‌پذیر است و می‌توان آن را به سرعت تغییر داد؛ بنابراین، کیوبیت‌های الکترون آزاد تحت کنترل لیزری می‌توانند نقش مهمی در آینده برای تحقیقات اساسی و کاربردهای اطلاعات کوانتومی ایفا کنند.

از سوی‌دیگر، الکترون‌های آزاد پرتو الکترونی مورد استفاده در آزمایش، ذرات نقطه‌ای نیستند، بلکه توابع موجی با طول انسجام محدودی هستند که نوسان‌های نور متعدد پرتو لیزر مورد استفاده را پوشش می‌دهند و به موجب آن، همان انرژی نهایی به‌طور منسجم توسط چرخه‌های میدان نوری مجاور در چند نمونه در زمان تولید می‌شود. در نتیجه، تداخل‌های موج ماده، مدولاسیون دوره‌ای از طیف انرژی را به نوارهای جانبی انرژی گسسته ایجاد می‌کند که محققان از آن به‌عنوان منبعی برای یک سیستم کوانتومی دو سطحی استفاده می‌کنند.

این در حالی است که عملیات کوانتومی با تکثیر ساده در فضای آزاد انجام می‌شود؛ جایی که بندهای جانبی مختلف به‌دلیل جرم سکون الکترون‌ها، فازهای موج ماده غیرخطی پیدا می‌کنند و به‌دنبال آن یک برهم‌کنش لیزر دوم و تولید بند جانبی چندسانتی‌متر بعد در پرتو انجام می‌شود. به این ترتیب، محققین می‌توانند تقریبا به هر نقطه‌ای از فضای بلاچ، یعنی «سیستم مختصات» برسند که در آن حالت‌های کیوبیت از نظر هندسی به‌عنوان نقاطی در سطح یک کره واحد نمایش داده می‌شوند.

[در مکانیک کوانتومی و محاسبات، فضای بلاچ نمایشی هندسی از فضای حالت خالص یک سیستم مکانیکی کوانتومی دو سطحی (کیوبیت) است که به نام فیزیکدان فلیکس بلاچ نام‌گذاری شده است.]