دانشمندان با ساخت اولین کیوبیت مکانیکی هیبریدی، به پیشرفت بزرگی در حوزه محاسبات کوانتومی دست یافته‌اند. این تشدیدگر میکروسکوپی که همزمان در حال ارتعاش و سکون است، با طراحی ترکیبی خود همدوسی (coherence) را افزایش می‌دهد و دریچه‌هایی را به سوی محاسبات کوانتومی و حسگرهای کوانتومی قدرتمند می‌گشاید.
محاسبات کوانتومی، حوزه‌ای که نویدبخش قدرت محاسباتی بی‌سابقه است، بر پایه بلوک‌های سازنده بنیادی به نام کیوبیت‌ها (qubits) استوار است. کیوبیت‌های سنتی که اغلب بر اساس حالت‌های الکترونیکی ساخته می‌شوند، از طول عمر کوتاهی رنج می‌برند و کاربردهای عملی آن‌ها را محدود می‌کنند. دستاورد پیشگامانه محققان دانشگاه ETH زوریخ، با ساخت اولین کیوبیت مکانیکی، عصر جدیدی را آغاز کرده است. این رویکرد نوآورانه از یک تشدیدگر میکروسکوپی، مشابه پوست طبل، که در برهم‌نهی کوانتومی (quantum superposition) وجود دارد و همزمان در حال ارتعاش و سکون است، استفاده می‌کند. این موفقیت، راه را برای کامپیوترهای کوانتومی قدرتمندتر که قادر به اجرای برنامه‌های پیچیده و طولانی هستند، هموار می‌کند و امکانات هیجان‌انگیزی را برای حسگرهای کوانتومی جدید فراهم می‌آورد.
چالش در ساخت کیوبیت‌های مکانیکی از ماهیت هارمونیک سطوح انرژی آن‌ها ناشی می‌شود. برخلاف کیوبیت‌های الکترونیکی که رفتار ناهارمونیک (anharmonic) با فاصله انرژی نابرابر بین سطوح را نشان می‌دهند، تشدیدگرهای مکانیکی در سطح کوانتومی دارای سطوح انرژی با فاصله برابر هستند. این ویژگی، جداسازی و دستکاری حالت‌های منفرد لازم برای عملکرد کیوبیت را ذاتاً دشوار می‌کند. تلاش‌های قبلی برای غلبه بر این محدودیت شامل اتصال یک تشدیدگر مکانیکی به یک جزء ناهارمونیک، مانند یک کیوبیت الکترومغناطیسی، برای ایجاد یک سیستم ترکیبی بود. با این حال، زمان همدوسی (coherence time)، مدت زمانی که یک کیوبیت حالت کوانتومی خود را حفظ می‌کند، در این دستگاه‌های ترکیبی توسط زمان همدوسی کوتاه کیوبیت الکترومغناطیسی محدود می‌شد.
تیم ETH زوریخ با ترکیبی از طراحی نوآورانه و تکنیک‌های ساخت پیشرفته بر این مانع غلبه کرد. کیوبیت مکانیکی آن‌ها شامل یک دیسک پیزوالکتریک روی یک قطعه یاقوت کبود است که به عنوان تشدیدگر مکانیکی عمل می‌کند و به یک کیوبیت ابررسانا روی یک تراشه یاقوت کبود جداگانه متصل است. این رویکرد ترکیبی از خواص ناهارمونیک کیوبیت ابررسانا بهره می‌برد و در عین حال از زمان‌های همدوسی بالقوه طولانی‌تر سیستم‌های مکانیکی استفاده می‌کند. کلید موفقیت آن‌ها در بهبود زمان‌های همدوسی هم کیوبیت ابررسانا و هم اجزای مکانیکی و همچنین اطمینان از عملکرد هر دو در فرکانس‌های مشابه بود. این هماهنگی، رفتار ناهارمونیک سیستم ترکیبی را که برای حفظ حالت کوانتومی حساس کیوبیت بسیار مهم است، افزایش می‌دهد.
کیوبیت مکانیکی حاصل، زمان همدوسی تقریباً ۲۰۰ میکروثانیه را به خود اختصاص می‌دهد که با توجه به محدودیت‌های تلاش‌های قبلی، دستاوردی قابل توجه است. اگرچه این زمان هنوز کوتاه‌تر از پتانسیل نظری سیستم‌های مکانیکی و برخی از کیوبیت‌های ابررسانای پیشرفته است، اما گامی مهم به جلو محسوب می‌شود. نکته مهم این است که زمان همدوسی کیوبیت مکانیکی توسط زمان همدوسی جزء ابررسانای آن محدود نمی‌شود، بلکه تحت تأثیر آن قرار می‌گیرد. نرخ ناهمدوسی (decoherence rate)، نرخی که کیوبیت خواص کوانتومی خود را از دست می‌دهد، بین نرخ ارتعاشات مکانیکی و کیوبیت ابررسانا قرار دارد، اما به شدت به سمت نرخ ناهمدوسی کندتر ارتعاشات مکانیکی متمایل است. این امر، با بهینه‌سازی طراحی و مواد مورد استفاده، در را برای بهبودهای آینده در زمان‌های همدوسی باز می‌کند.
پیامدهای این موفقیت فراتر از ساخت یک نوع جدید کیوبیت است. محققان پیش‌بینی می‌کنند که از کیوبیت‌های مکانیکی برای انجام گیت‌های کوانتومی (quantum gates)، عملیات منطقی بنیادی محاسبات کوانتومی، استفاده کنند. این پیشرفت می‌تواند منجر به توسعه کامپیوترهای کوانتومی قدرتمندتر و مقیاس‌پذیرتر شود که قادر به حل مسائل پیچیده‌ای هستند که از دسترس کامپیوترهای کلاسیک خارج است. علاوه بر این، خواص منحصر به فرد کیوبیت‌های مکانیکی، آن‌ها را به کاندیداهای ایده‌آل برای حسگرهای کوانتومی بسیار حساس تبدیل می‌کند. برخلاف حسگرهای مبتنی بر کیوبیت موجود که عمدتاً برای تشخیص نیروهای الکترومغناطیسی یا میدان‌های گرانشی ثابت استفاده می‌شوند، کیوبیت‌های مکانیکی می‌توانند نیروهای مکانیکی با فرکانس گیگاهرتز را اندازه‌گیری کنند و امکان تشخیص پدیده‌هایی مانند امواج گرانشی را فراهم کنند. این قابلیت نشان دهنده جهشی قابل توجه در فناوری حسگرها است و می‌تواند حوزه‌هایی مانند نجوم و علم مواد را متحول کند.
ساخت اولین کیوبیت مکانیکی، لحظه‌ای محوری در توسعه فناوری‌های کوانتومی است. در حالی که برای تحقق کامل پتانسیل این دستگاه‌ها به تحقیق و توسعه بیشتر نیاز است، این موفقیت گامی مهم به سوی ساخت کامپیوترهای کوانتومی قدرتمندتر و همه‌کاره‌تر و حسگرهای کوانتومی فوق‌العاده حساس است. توانایی دستکاری و کنترل حالت‌های کوانتومی سیستم‌های مکانیکی، مرز جدیدی را در پردازش اطلاعات کوانتومی می‌گشاید و نویدبخش انقلابی در حوزه‌های مختلف علمی و فناوری است.
اگر به خواندن کامل این مطلب علاقه‌مندید، روی لینک مقابل کلیک کنید: ieee spectrum
