علت افت انرژی کیوبیت ها در کامپیوترهای کوانتومی

دانشمندان با استفاده از یک آزمایش ساده که شامل پیوندهای جوزفسون می‌شود، کشف کرده‌اند که چگونه کیوبیت‌ها انرژی خود را از دست می‌دهند. آن‌ها توانستند آثار حرارتی را به تشعشع در مدارهای کیوبیت ردیابی کنند که این اطلاعات برای پیشرفت کامپیوترهای کوانتومی بسیار حیاتی است.

محققان دانشگاه آلتو توانسته‌اند افت انرژی حرارتی در کیوبیت‌ها را از طریق یک آزمایش ساده روشن کنند و به این ترتیب دلیل افت کوهرنس کیوبیت‌های ابررسانا را در کامپیوترهای کوانتومی کشف کنند. این مطالعه که توسط فیزیکدانان و یک تیم بین‌المللی انجام شده، بر روی پیوندهای جوزفسون ابررسانا که برای عملکرد بالای کامپیوترهای کوانتومی بسیار حیاتی هستند، تمرکز دارد و بینشی درباره اتلاف حرارتی و تاثیر آن بر کارایی کیوبیت ارائه می‌دهد.

اندازه‌گیری افت کوهرنس کیوبیت‌های ابررسانا

فیزیکدانان دانشگاه آلتو در فنلاند، همراه با تیمی از همکاران بین‌المللی، به طور نظری و تجربی نشان داده‌اند که افت کوهرنس کیوبیت‌های ابررسانا می‌تواند به صورت مستقیم به عنوان اتلاف حرارتی در مدار الکتریکی که کیوبیت را نگه می‌دارد، اندازه‌گیری شود. در قلب پیشرفته‌ترین کامپیوترهای کوانتومی و دتکتورهای بسیار حساس، پیوندهای جوزفسون ابررسانا قرار دارند که عناصر اصلی کیوبیت‌ها – یا بیت‌های کوانتومی – هستند.

این کیوبیت‌ها و مدارهایشان همان‌طور که از نامشان پیداست، رسانای بسیار کارآمد الکتریسیته هستند. یک تصویر میکروگراف الکترونی نمایشی از آزمایش گروه با یک پیوند جوزفسون منفرد را نشان می‌دهد.

فهم اتلاف حرارتی در کیوبیت‌ها

«با وجود پیشرفت سریع در ساختن کیوبیت‌های با کیفیت بالا، یک سوال مهم بدون جواب مانده بود: چطور و کجا اتلاف حرارتی رخ می‌دهد؟» این سوال را بایان کریمی، پژوهشگر فوق دکتری در گروه پیکو دانشگاه آلتو و نویسنده اول این مطالعه، مطرح می‌کند. «ما مدت‌هاست که روش‌های اندازه‌گیری این اتلاف را بر پایه تخصص گروه‌مان در ترمودینامیک کوانتومی توسعه داده‌ایم» اضافه می‌کند یوکا پِکولا، استاد دانشگاه آلتو که سرپرست گروه پیکو است.

ردیابی اتلاف انرژی به تشعشع حرارتی

انتقال ابرجریان‌ها به وسیله اثر جوزفسون ممکن است که دو ماده ابررسانا که به هم نزدیک هستند، بتوانند جریانی بدون ولتاژ اعمالی پشتیبانی کنند. به نتیجه این مطالعه، اتلاف انرژی که قبلاً به آن توجه نشده بود، به تشعشع حرارتی که از کیوبیت‌ها منشا می‌گیرد و در طول اتصالات منتقل می‌شود، ردگیری می‌شود.

کریمی می‌گوید این نوع تشعشع منجر به اتلاف در کیوبیت می‌شود. این اتلاف قبلاً توسط فیزیکدانانی که آزمایش‌هایی بر روی آرایه‌های بزرگ از صدها پیوند جوزفسون انجام دادند، مورد توجه قرار گرفت. مانند بازی تلفن، یکی از این پیوندها می‌توانست ناپایداری را به بقیه در طول خط منتقل کند.

یک آزمایش ساده با نتایج بزرگ

در ابتدا، تیم کریمی، پِکولا و همکارانشان با آزمایش‌های خود از این بسیاری از پیوندها در یک آرایه شروع کردند و سپس راه خود را به آزمایش‌های ساده‌تر و ساده‌تر ردیابی کردند. نتیجه نهایی آزمایش آن‌ها: مشاهده تاثیر تغییر ولتاژ در یک پیوند جوزفسون تنها. با قرار دادن یک جذب‌کننده حرارتی فوق حساس در کنار این پیوند، توانستند تشعشع بسیار ضعیف منتشر شده از این پیوند را در هر انتقال فاز بدون دخالت اندازه‌گیری کنند.

کار نظری این گروه در همکاری با همکاران از دانشگاه مادرید انجام شد. پژوهش در تاریخ 22 آگوست در مجله Nature Nanotechnology منتشر شد.

این کار به همکاری پروفسور چارلز مارکوس از دانشگاه واشنگتن، ایالات متحده آمریکا و موسسه نیلز بور در کپنهاگ، دانمارک انجام شد. ساخت دستگاه‌های مورد استفاده در آزمایش‌ها از طریق اتاق‌های پاک OtaNano، زیرساخت ملی تحقیقاتی فنلاند برای میکرو و نانو تکنولوژی‌ها، ممکن شده بود. این کار همچنین توسط شورای تحقیقات فنلاند از طریق مرکز ممتاز فناوری کوانتوم فنلاند (QTF) و کنسرسیوم THEPOW امکان‌پذیر شده بود.