آخرین اخبار
کشف ابررسانای جدید و عجیبی که می‌تواند نقش سیلیکون را در عصر اطلاعات کوانتومی بازی کند

کشف ابررسانای جدید و عجیبی که می‌تواند نقش سیلیکون را در عصر اطلاعات کوانتومی بازی کند

دانشمندان موسسه ملی استانداردها و فناوری (NIST)یک ماده بالقوه مفید برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی کشف کرده‌اند. آن‌ها ماده‌ی ابررسانایی یافتند که می‌تواند یکی از موانع اصلی موجود در مسیر مدارهای منطقی کوانتومی را پشت سر بگذارد.

خواص تازه‌کشف‌شده‌ی این ابررسانا در ترکیب اورانیم دی‌تلوراید () نشان می‌دهد که این ماده می‌تواند در مقابل یکی از موانع توسعه کامپیوتر کوانتومی، یعنی دشواری ساخت کیوبیت‌ها، به انداز‌ه‌ی کافی دوام بیاورد تا یک محاسبه قبل از بین رفتن ارتباط فیزیکی که به آن‌ها اجازه می‌دهد به عنوان یک گروه عمل کنند، تمام شود. حفظ این رابطه که به آن همدوسی کوانتومی (quantum coherence) گفته می‌شود، به دلیل آشفتگی‌های موجود در دنیای اطراف، بسیار مشکل است.

مقاومت بسیار زیاد و غیرمعمول این ترکیب ابررسانا در برابر میدان‌های مغناطیسی، آن را به یک ماده نادر در میان مواد ابررسانا تبدیل کرده و مزایای متمایزی برای طراحی کیوبیت ارائه می‌دهد، به ویژه مقاومت آن‌ در برابر خطاهایی که به راحتی می‌توانند در محاسبات کوانتومی وارد شوند. محققان معتقدند رفتارهای استثنایی ابررسانای   باعث می‌شود که در صنعت نوظهور کامپیوتر کوانتومی، جذاب باشد. آن‌ها می‌گویند:

 این ابررسانای جدید، می‌تواند سیلیکون عصر اطلاعات کوانتومی باشد. شما می‌توانید از ترکیب اورانیم دی‌تلوراید برای ساخت کیوبیت‌های یک کامپیوتر کوانتومی کارآمد استفاده کنید.

نتایج این پژوهش، به تازگی در مجله ساینس منتشر شده و به خواص غیرمعمول ابررسانای  می‌پردازد که برای کاربردهای فناوری و علوم پایه، جالب توجه است. یکی از این خواص غیرمعمول، روش عجیبی است که الکترون‌ها برای هدایت جریان الکتریسیته اتخاذ می‌کنند. در سیم مسی یا برخی رساناهای معمولی دیگر، الکترون‌ها به صورت ذرات جداگانه حرکت می‌کنند، اما الکترون‌ها در تمام ابررساناها چیزی را تشکیل می‌دهند که به آنها جفت‌های کوپر (Cooper pairs) گفته می‌شود. برهمکنش‌های الکترومغناطیسی عامل این جفت شدن‌ها، باعث به وجود آمدن خاصیت ابررسانایی مواد می‌شوند.

آنچه که برای این جفت‌شدگی کوپر مهم است، خاصیتی است که تمام الکترون‌ها دارند و به عنوان اسپین «کوانتومی» شناخته می‌شود. این ویژگی باعث می‌شود الکترون‌ها طوری رفتار کنند که انگار یک آهنربای میله‌ای درون هر کدام از آ‌ن‌ها حرکت می‌کند. در اغلب ابررساناها، الکترون‌های جفت شده، اسپین‌های کوانتومی ‌مخصوص به خودشان را دارند که یکی از آن‌ها به سمت بالا و دیگری به سمت پایین است. به این جفت‌شدگی به صورت مخالف، اسپین یکتایی می‌گویند.

تعداد کمی از ابررساناهای شناخته شده به صورت اسپین مخالف هستند و به نظر می‌رسد ابررسانای  نیز جزو این دسته باشد. اسپین‌های جفت‌های کوپر می‌توانند یکی از سه جهت ممکن را بگیرند و بنابراین اسپین‌های سه‌‌تایی ایجاد کنند. این امر به اسپین‌های جفت کوپر اجازه می‌دهد به جای اینکه به طور مخالف جهت‌گیری کنند، به طور موازی آرایش یابند. پیش‌بینی می‌شود که اغلب ابررساناهای اسپین سه‌تایی، ابررساناهای توپولوژیکی نیز باشند. در این ابررساناها، این خاصیت بسیار مفید وجود دارد که ابررسانایی می‌تواند روی سطح ماده رخ دهد و حتی در مواجهه با اختلالات خارجی، همچنان باقی بماند. محققان می‌گویند:

این جفت‌های با اسپین موازی می‌توانند به عملکرد کامپیوترهای کوانتومی ‌کمک کنند. در واقع آرایش آن‌ها، به دلیل افت و خیزهای کوانتومی نمی‌تواند به طور خود به خودی در هم بشکند.

تاکنون تمام کامپیوتر های کوانتومی به روشی نیاز داشته‌اند که خطاهای ناشی از محیط اطرافشان را اصلاح کند. مزایای ابررساناها آ‌ن‌ها را به عنوان اساس اجزای کامپیوتر کوانتومی مورد توجه قرار داده است. ابررساناهای توپولوژیکی، این مزیت‌ اضافه را نیز دارند که در آن‌ها نیازی به تصحیح خطای کوانتومی نیست. محققان می‌گویند:

ما یک ابررسانای توپولوژیکی می‌خواهیم، زیرا به شما کیوبیت‌های بدون خطا می‌دهد. آن‌ها می‌توانند عمر بسیار طولانی داشته باشند. ابررساناهای توپولوژیکی، مسیر جدیدی برای تحقق محاسبات کوانتومی هستند؛ زیرا از کیوبیت در برابر محیط اطراف محافظت می‌کنند.

محققان هنگام بررسی آهنرباهای مبتنی بر اورانیم، به طور اتفاقی به  برخوردند که خواص الکتریکی‌اش را می‌توان با تغییر شیمی‌اش، فشار یا میدان مغناطیسی، به طور دلخواه تغییر داد. (هیچ کدام از این پارامترها بر پایه‌ی خاصیت رادیواکتیویته نیستند. این ماده حاوی اورانیم ضعیف‌شده است که فقط کمی رادیواکتیو است. کوبیت‌های ساخته شده‌ از ابررسانای ، ریز هستند و می‌توانند به راحتی توسط بقیه اجزای کامپیوتر در برابر محیط اطراف محافظت شوند). محققان انتظار نداشتند این ترکیب، چنین خواصی داشته باشد. آن‌ها می‌گویند:

ترکیب ابررسانای برای اولین بار در دهه 1970 ساخته شده بود و حتی مقالات اخیر، آن را عادی توصیف کرده بودند. ما مقداری  ساختیم و آن را در دماهای پایین‌تر آزمایش کردیم تا ببینیم آیا ممکن است برخی پدیده‌ها نادیده گرفته شده باشند؟ و به سرعت متوجه شدیم که چیزی بسیار ویژه در دست داریم.

محققان پژوهش خود درباره  را با ابزارهای تخصصی آغاز کردند. آن‌ها متوجه شدند که این ماده در دماهای پایین (کمتر از 271.5 - درجه سانتیگراد) خاصیت ابررسانایی پیدا می‌کند. خواص ابررسانایی این ماده شبیه به ابررساناهای نادری است که به طور همزمان، فرومغناطیس بوده و مانند آهنرباهای دائمی دمای پایین عمل می‌کنند. اما عجیب است که   به خودی خود، فرومغناطیس نیست که همین امر به تنهایی،‌  را خاص می‌کند.

 همچنین در برابر میدان‌های مغناطیسی، مقاومت بسیار بالایی دارد. معمولا یک میدان باعث از بین رفتن خاصیت ابررسانایی می‌شود، اما  بسته به جهت اعمال میدان می‌تواند در برابر میدان‌هایی به شدت 35 تسلا مقاومت کند؛ این میدان 3500 برابر از آهنربای یخچال و فریزر قوی‌تر است.

در حالیکه محققان هنوز به طور قطعی اثبات نکرده‌اند که  یک ابررسانای توپولوژیکی است، اما معتقدند این مقاومت غیرمعمول در برابر میدان‌های مغناطیسی قوی به معنای این است که این ماده باید یک ابررسانای اسپین یکتایی باشد و بنابراین به احتمال زیاد یک ابررسانای توپولوژیکی نیز هست. مقاومت این ابررسانا می‌تواند به دانشمندان در فهم ماهیت  و شاید خود خاصیت ابررسانایی کمک کند. محققان می‌گویند:

شاید بررسی و کاوش بیشتر در این امر بتواند ما را در درک این سوال یاری کند که چه چیزی باعث پایداری این ابررساناهای اسپین‌موازی می‌شود. هدف اصلی ما در مورد این ابررسانای جدید، این است که بتوانیم خاصیت ابررسانایی را بهتر درک کنیم و بدانیم کجا به جستجوی مواد ابرسانای کشف نشده بگردیم، ولی در حال حاضر قادر به انجام این امر نیستیم. ما می‌خواهیم بدانیم چه خاصیتی برای ابررساناها ضروری است؟ امیدواریم این ماده‌ی جدید بتواند اطلاعات بیشتری در پاسخ به این سوال ارائه دهد.


مشاهده مقاله اصلی در مجله
منبع: phys.org
كلمات كليدي :
کامپیوتر کوانتومی , ابررسانای توپولوژیکی
 
امتیاز دهی