شکستن سه رکورد جهانی با اتم‌های غول‌پیکر برای محاسبات کوانتومی
دانشمندان دانشگاه اشتوتگارت با استفاده از اتم‌های غول‌پیکر، سه رکورد جهانی را شکستند. این دستاورد که بدون نیاز به سیستم‌های خنک‌کننده گران‌قیمت حاصل شده، می‌تواند به ساخت کامپیوترهای کوانتومی با پایداری بیشتر و خطای کمتر کمک کند.
فرارو- دانشمندان مؤسسه پنجم فیزیک دانشگاه اشتوتگارت با ثبت سه رکورد برای «اتم‌های ریدبرگ دایره‌ای» (اتم‌های غول‌پیکر) به پیشرفت مهمی دست یافته‌اند: طول عمر، اندازه و مدت زمان نگهداری آن‌ها در تله‌های لیزری. این یافته‌ها که در نشریه Nature Communications منتشر شده، می‌تواند به محققان در ساخت شبیه‌سازهای کوانتومی توانمندتر و در نهایت، کامپیوترهای کوانتومی کمک کند.
به گزارش فرارو، شبیه‌سازهای کوانتومی، سیستم‌های کوانتومی را که دانشمندان قصد بررسی آن‌ها را دارند، بازسازی می‌کنند. آن‌ها همچنین راهی برای توسعه و آزمایش تکنیک‌ها برای کامپیوترهای کوانتومی آینده فراهم می‌کنند. اتم‌های ریدبرگ اجزای امیدوارکننده‌ای برای هر دو هستند، اما حساسیت آن‌ها به محیط اطراف، مدت زمان استفاده از آن‌ها را محدود می‌کند.
اتم‌های غول‌پیکر و اهمیت آن‌ها در محاسبات کوانتومی
یک اتم ریدبرگ، اتمی است که یکی از الکترون‌های آن به حالتی برانگیخته شده که از هسته خود بسیار دور است و این امر باعث می‌شود اتم چندین هزار برابر بزرگ‌تر از یک اتم معمولی باشد. این اندازه بزرگ به اتم‌های مجاور اجازه می‌دهد تا در فواصلی غیرمعمول با یکدیگر تعامل داشته باشند؛ ویژگی‌ای که برای کنترل سیستم‌های کوانتومی مفید است.
این تعاملات می‌توانند تا حدود ۵ میکرومتر (۰.۰۰۰۲ اینچ) گسترش یابند که تقریباً یک‌دهم ضخامت موی انسان است. اگرچه این فاصله در مقیاس‌های روزمره کوچک است، اما در مقایسه با ابعاد اتم‌های معمولی، بسیار وسیع محسوب می‌شود. به همین دلیل، اتم‌های ریدبرگ برای فناوری‌های کوانتومی مبتنی بر اتم‌های خنثی (بدون بار الکتریکی) که با نور لیزر به دام افتاده و کنترل می‌شوند، ارزشمند هستند.
تیم اشتوتگارت با اتم‌های ریدبرگ دایره‌ای کار کرد که در آن‌ها الکترون برانگیخته‌شده در یک مدار دایره‌ای به دور هسته می‌چرخد. قطر مدارهای الکترونی آن‌ها به حدود ۱.۱ میکرومتر (۰.۰۰۰۰۴۳ اینچ) رسید که تقریباً ۱۰,۰۰۰ برابر بزرگ‌تر از اتم‌های معمولی است.
دو رکورد برای انواع مختلف پایداری
حالت دایره‌ای این اتم‌ها ۱۱ میلی‌ثانیه دوام آورد که بیش از ۲۰ برابر طولانی‌تر از حالت‌های مشابه در فضای آزاد است. به طور جداگانه، محققان این اتم‌ها را به مدت ۱۳۳ میلی‌ثانیه در یک تله لیزری، معروف به «انبرک نوری»، نگه داشتند. این اندازه‌گیری‌ها دستاوردهای متفاوتی را توصیف می‌کنند: یکی مدت زمان بقای حالت برانگیخته و دیگری مدت زمان به دام افتادن اتم.
اینیوس پولتینویچیوس، پژوهشگر دکترا در تیم ماینرت، می‌گوید: «این رکوردها امکانات جدیدی را برای قدرتمندتر کردن شبیه‌سازهای کوانتومی، انجام محاسبات بیشتر و کنترل دقیق‌تر سیستم‌های کوانتومی باز می‌کنند.»
مسدود کردن امواج مایکروویو به جای خنک‌سازی
دمای اتاق ممکن است برای انسان عادی به نظر برسد، اما برای این اتم‌های حساس، محیطی مخرب ایجاد می‌کند. سطوح اطراف، تابش حرارتی از خود ساطع می‌کنند، از جمله امواج مایکروویو نامرئی که می‌توانند حالت‌های برانگیخته آن‌ها را مختل کنند. آزمایش‌های قبلی برای کاهش این تداخل به سیستم‌های خنک‌کننده پیچیده متکی بودند.
در عوض، این تیم یک مفهوم محافظتی از دهه ۱۹۸۰ را تطبیق داد. رویکرد اصلی از دیواره‌های فلزی برای مسدود کردن تابش حرارتی مزاحم استفاده می‌کرد. برای این آزمایش، محققان اتم‌ها را بین دو صفحه شفاف و رسانای الکتریکی قرار دادند که امواج مایکروویو مزاحم را سرکوب می‌کنند.
دکتر ماینرت می‌گوید: «نتایج ما نشان می‌دهد که اتم‌های ریدبرگ با عمر بسیار طولانی حتی در دمای اتاق نیز ممکن هستند. ما یک مفهوم شناخته‌شده در فیزیک را برای استفاده در پلتفرم‌های کوانتومی مدرن اصلاح کرده‌ایم.»
زمان بیشتر برای محاسبات کوانتومی
پروفسور فاو می‌گوید: «این پیشرفت‌ها می‌توانند نقش مهمی در توسعه شبیه‌سازهای کوانتومی و کامپیوترهای کوانتومی ایفا کنند.» اتم‌های خنثی که در انبرک‌های نوری نگهداری می‌شوند، از جمله نامزدهای اصلی برای شبیه‌سازهای کوانتومی هستند که می‌توانند برای جای دادن سیستم‌های بزرگ‌تر، رشد کنند.
حالت‌های ریدبرگ با عمر طولانی‌تر می‌توانند به حفظ اطلاعات کوانتومی کمک کرده و امکان کنترل دقیق‌تری بر تعاملات بین اتم‌ها را فراهم کنند. محققان انتظار دارند که این پایداری اضافه، محاسبات طولانی‌تر با خطاهای کمتر را پشتیبانی کند، اگرچه خود این رکوردها پیشرفتی در فناوری زیربنایی هستند تا نمایش یک کامپیوتر کوانتومی کامل.
دانشگاه اشتوتگارت اکنون دارای یک پلتفرم آزمایشی برای اتم‌های ریدبرگ دایره‌ای است که در سراسر جهان منحصربه‌فرد است. این تیم قصد دارد از آن برای توسعه کامپیوترهای کوانتومی جدید، شبیه‌سازهای کوانتومی و حسگرهای کوانتومی با دقت بالا استفاده کند.
