دستیابی به نظریه ابررسانایی جدید برای بهینه شدن پردازش کوانتومی
به‌تازگی دانشمندی از بخش فیزیک ماده چگالش کوانتومی در دانشگاه تسوکوبا، نظریه جدیدی از ابررساناها را به‌صورت فرمول درآورده است که بر اساس محاسبه «اتصال بری»، بهتر از تئوری فعلی به توضیح نتایج تجربی کمک می‌کند. این کار ممکن است به شبکه‌های الکتریکی آینده امکان ارسال انرژی بدون هدررفت بدهد.
ابررساناها موادی بسیار کاربردی هستند که ممکن است در شرایط محیطی قابلیت‌هایشان آن‌چنان در خور توجه به نظر نرسد؛ اما وقتی در دمای بسیار پایین خنک شوند، اجازه می‌دهند انرژی الکتریکی با مقاومت تقریبا صفر جریان یابد. ابررساناها دارای چندین کاربرد آشکار هستند که انتقال انرژی بدون هدررفت یکی از آن‌ها محسوب می‌شود؛ اما زمینه‌ی این روند هنوز به‌روشنی در فیزیک درک نشده است.
روش تفکر ثابت‌شده در مورد انتقال از حالت عادی به ابررسانا را نظریه باردین-کوپر-شریفر (BCS) می‌نامند. در این مدل، تا زمانی که تحریکات گرمایی به اندازه کافی محدود نگه داشته شود، ذرات می‌توانند جفت کوپر را تشکیل بدهند که با هم به حرکت درمی‌آیند و در برابر پراکندگی مقاومت می‌کنند؛ اما مدل BCS انواع ابررساناها را به اندازه کافی توضیح نمی‌دهد که این مسئله، توانایی ایجاد مواد ابررسانای مقاوم‌تر را که در دمای اتاق کار می‌کنند، محدود می‌کند.
در فیزیک، اتصال و انحنای بری مفاهیم مرتبطی هستند که می‌توانند به ترتیب، به‌عنوان یک ظرفیت پیمانه‌ای محلی و یک میدان پیمانه‌ای مرتبط با فاز بری یا فاز هندسی مشاهده شوند. این مفاهیم توسط مایکل بری در مقاله‌ای در سال ۱۹۸۴ با تأکید بر اینکه چگونه مراحل هندسی یک مفهوم متحد قدرتمند در چندین شاخه از فیزیک کلاسیک و کوانتوم ارائه می‌دهند، منتشر شد.
اما دانشمندی از دانشگاه تسوکوبا مدل جدیدی برای ابررسانایی ارائه داده است که اصول فیزیکی را بهتر نشان می‌دهد. این نظریه جدید به جای تمرکز بر جفت شدن ذرات باردار، از ابزار ریاضی به نام اتصال بری استفاده می‌کند. این مقدار، پیچش مکانی را که الکترون در آن حرکت می‌کند محاسبه می‌کند. پروفسور هیرویاسو کویزومی می‌گوید: «در نظریه استاندارد BCS، منشأ ابررسانایی جفت شدن الکترون است. در این تئوری، ابر جریان به‌عنوان جریان بدون اتلاف الکترون‌های زوج شناخته می‌شود. این در حالی است که الکترون‌های منفرد هنوز مقاومت می‌کنند.»
به‌عنوان مثال، اتصالات جوزفسون وقتی تشکیل می‌شوند که دو لایه ابررسانا توسط یک سد نازک ساخته‌شده از فلز معمولی یا یک عایق از هم جدا می‌شوند. در حقیقت، محل اتصال جوزفسون یک وسیله مکانیکی کوانتوم است که به‌طور گسترده‌ای در آشکارسازهای میدان مغناطیسی با دقت بالا و رایانه‌های کوانتومی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
در نظریه جدید، نقش جفت شدن الکترون، تثبیت اتصال بری است که در عوض اینکه عامل ابررسانایی به خودی خود باشد، ابرجریان الکترون‌های منفرد و زوجی است که به دلیل پیچ‌خوردگی فضایی که در آن ایجاد می‌شود، تولید می‌شود. درنهایت، الکترون‌ها به دلیل اتصال بری حرکت می‌کنند؛ بنابراین، این تحقیق ممکن است به پیشرفت در محاسبات کوانتومی و همچنین صرفه‌جویی در انرژی منجر شود.
اخیرا یک ابررسانای بسیار کمیاب توپولوژیکی به نام LaPt3P از طریق آزمایش آرام‌سازی چرخش میون و تجزیه و تحلیل نظری گسترده کشف شده که دستاوردی بسیار نادر و برای آینده محاسبات کوانتومی از ارزش فوق‌العاده‌ای برخوردار است.
برای مطالعه‌ی تمام مقالات مرتبط با رایانش کوانتومی به این صفحه مراجعه کنید.
نظرات