کشف حالت جدیدی از ماده می‌تواند جام مقدسی برای آینده رایانش کوانتومی باشد

در سال ۱۹۷۳، فیزیکدانی به‌نام فیلیپ دبلیو اندرسون تئوری وجود حالت جدیدی از ماده را مطرح کرد که درواقع می‌توان آن را نقطه‌ی عطفی در رقابت برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی عنوان کرد. این حالت عجیب و شگفت‌انگیز ماده، «مایع اسپین کوانتومی» نامیده می‌شود و برخلاف نامش، هیچ ارتباطی با مایعات روزمره ما نظیر آب ندارد. در حقیقت، همه‌چیز در مورد نحوه چرخش الکترون‌های موجود در آهنرباهایی است که هرگز بستناک نمی‌شوند.

در آهنرباهای معمولی، زمانی که دما از محدوده‌ی معینی پایین‌تر می‌رود، الکترون‌ها تثبیت می‌شوند و یک قطعه جامد از ماده با خواص مغناطیسی را تشکیل می‌دهند. در مایع اسپین کوانتومی، الکترون‌ها هنگام سردشدن تثبیت و به جامد تبدیل نمی‌شوند و در یکی از درهم‌ترین حالت‌های کوانتومی که تاکنون تصور شده است، دائما (مانند مایعات) در حال تغییر و نوسان هستند.

خواص مختلف مایعات اسپین کوانتومی کاربردهای امیدوارکننده‌ای دارد که می‌تواند برای پیشرفت فناوری‌های کوانتومی نظیر ساخت اَبَررساناهایی با آستانه مقاومت دمایی بالا و متعاقبا به‌کارگیری آن‌ها در رایانه‌های کوانتومی بسیار مفید باشند. بااین‌حال، این ماده تاکنون کشف نشده بود و صرفا تمامی خواص و ویژیگی‌ها مفید و عجیب آن، در ۵۰ سال گذشته در تئوری‌ها خلاصه می‌شد.

اما خبر خوش‌حال‌کننده و بسیار مهم این است که اخیرا تیمی از فیزیکدانان به رهبری دانشگاه هاروارد اعلام کرده‌اند که بالاخره به‌صورت تجربی این حالت اسرارآمیز ماده را که مدت‌ها دنبال آن بوده‌اند، ثبت کرده‌اند. دستاورد مذکور نشان‌دهنده گام بزرگی به سوی توانایی ایجاد حالت گریزان یادشده در صورت تقاضا و به‌دست‌آوردن درک جدیدی از ماهیت مرموز آن است. میخائیل لوکین، استاد فیزیک جورج واسمر لورت، یکی از مدیران ابتکار کوانتومی دانشگاه هاروارد و یکی از نویسندگان ارشد این مطالعه می‌گوید:

ما در لحظه‌ای بسیار ویژه در این زمینه هستیم. واقعا می‌توانیم حالت عجیب‌و‌غریب را به‌کار بگیریم و آن را دستکاری کنیم تا خواص آن را بهتر درک کنیم. این حالت جدیدی از ماده است که محققان هرگز قادر به مشاهده آن نبوده اند!

به‌طورکلی، ماحصل تحقیقات علمی جدید می‌تواند در آینده‌ای نزدیک پیشرفت‌هایی را برای طراحی مواد کوانتومی و فناوری بهتر ارائه دهد. دراین‌میان، ویژگی‌های عجیب‌و‌غریب مایعات اسپین کوانتومی می‌تواند کلید ایجاد بیت‌های کوانتومی قوی‌تر، معروف به کیوبیت‌های توپولوژیکی باشد که انتظار می‌رود در برابر نویز و تداخل خارجی مقاوم باشند. این در حالی است که کیوبیت‌های کنونی بسیار آسیب‌پذیر هستند و به‌راحتی با افزایش دما و نویزهای محیطی خواصشان را ازدست می‌دهند و به‌نوعی به پاشنه‌ی آشیلی برای ایجاد برتری کوانتومی تبدیل شده‌اند.

برتری کوانتومی نقطه عطفی است که در آن یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند محاسبات ریاضی را که به‌طور قابل ملاحظه‌ای حتی از توانایی قوی‌ترین اَبَرکامپیوتر‌ها نیز خارج است، تکمیل کند. هنوز دقیقاً مشخص نیست که چند کیوبیت برای دستیابی به این هدف لازم است؛ زیرا محققان الگوریتم‌های جدیدی را برای افزایش عملکرد کامپیوتر‌های کلاسیک پیدا می‌کنند و سخت‌افزارهای کنونی نیز همچنان بهتر می‌شوند. محاسبات کوانتومی سال‌ها در انحصار دانشمندان و در شرایط آزمایشگاهی در حال توسعه بوده است؛ اما پیشرفت‌های جدید، این فناوری انقلابی را به سمت کاربردهای عملی سوق می‌دهد.

جولیا سمگینی، دانشجوی فوق دکترا در مرکز اپتیک کوانتومی هاروارد-مکس پلانک و نویسنده اصلی این مطالعه توضیح می‌دهد: «این یک رویا در محاسبات کوانتومی است. یادگیری نحوه ایجاد و استفاده از چنین کیوبیت‌های توپولوژیکی گام بزرگی به‌سوی تحقق کامپیوترهای کوانتومی کاربردی است.»

گفته می‌شود تیم با استفاده از شبیه‌ساز کوانتومی قابل برنامه‌ریزی که آزمایشگاه ابتدا در سال ۲۰۱۷ توسعه داده بود، این حالت مایع مانند را با استفاده از مجموعه‌ای از فرآیندهای کوانتومی پیچیده همچون شبکه‌هایی برای مهندسی برهم‌کنش‌ها و درهم‌تنیدگی‌های مختلف بین اتم‌های فوق‌سرد، مشاهده کرده‌اند. ایده استفاده از شبیه‌ساز کوانتومی این است که بتوان همان فیزیک میکروسکوپی موجود در سیستم‌های ماده متراکم را بازتولید کرد، به‌ویژه با آزادی که قابلیت برنامه‌ریزی سیستم اجازه می‌دهد. سوبیر ساچدف، یکی از نویسندگان مطالعه و متصدی این پروژه، در توضیح دستاورد جدیدشان می‌گوید:

با استفاده از دستاورد جدید می‌توان اتم‌ها را تا جایی که می‌خواهیم از هم جدا کنیم و فرکانس نور لیزر را تغییر دهیم. واقعا می‌توان پارامترهای طبیعت را به‌گونه‌ای تغییر داد که در موادی که قبلا این چیزها مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، نمی‌توانید تغییر دهید.

در آهن‌رباهای معمولی، اسپین‌های الکترون در برخی الگوهای منظم به سمت بالا یا پایین حرکت می‌کنند. برای مثال، در آهن‌ربای یخچال‌های مرسوم، چرخش‌ها همه به یک جهت هستند. فرایند یادشده به این دلیل اتفاق می‌افتد که چرخش‌ها معمولا در الگوی به‌اصطلاح «چک باکس» کار می‌کنند و جفت می‌شوند تا بتوانند در یک جهت یا مسیرهای متناوب، با حفظ نظم خاصی اشاره کنند.

مایعات اسپین کوانتومی هیچ یک از آن نظم مغناطیسی را ندارند؛ زیرا اساسا یک چرخش سوم اضافه شده است که الگوی چک باکس را به یک الگوی مثلثی تبدیل می‌کند. درحالی‌که یک جفت همیشه می‌تواند در یک جهت یا جهت دیگر تثبیت شود، در یک الگوی مثلث، اسپین سوم همیشه الکترون فرد خواهد بود. این باعث ایجاد یک «آهنربای خنثی» می‌شود که در آن اسپین‌های الکترون نمی‌توانند در یک جهت ثابت شوند. در اصل، آن‌ها در پیکربندی‌های مختلف در یک زمان و با احتمال مشخصی هستند که بر مبنای برهم‌نهی کوانتومی رفتار می‌کنند.

گفته می‌شود پس از تأیید وجود مایعات اسپین کوانتومی، محققان به کاربرد احتمالی این حالت ماده برای ایجاد کیوبیت‌های قوی روی آورده‌اند. آن‌ها آزمایشی را برای اثبات مفهوم انجام دادند که نشان داد ممکن است روزی بتوان این بیت‌های کوانتومی را با قرار دادن مایعات اسپین کوانتومی در یک آرایه هندسی خاص با استفاده از شبیه‌ساز ایجاد کرد.

محققان خاطرنشان می‌کنند که قصد دارند از شبیه‌ساز کوانتومی قابل برنامه‌ریزی برای ادامه بررسی مایعات اسپین کوانتومی و چگونگی استفاده از آن‌ها برای ایجاد کیوبیت‌های مقاوم‌تر استفاده کنند. البته باید به این نکته توجه داشت که محققان هنوز باید نشان دهند که چگونه می‌توان کیوبیت‌های توپولوژیکی را رمزگذاری و دستکاری کرد؛ بنابراین قطعا آن‌ها راه طولانی‌ای را برای به‌کارگیری عملی دستاوردشان در کامپیوترهای کوانتومی در پیش دارند.