إنشاء مادة “مستحيلة” لأنظمة التحكم بالحواسيب الكمومية

الحكمة – متابعة: حقق فريق دولي من الباحثين الروس والألمان نجاحًا في تصميم مواد ذات خصائص لا يمكن الحصول عليها في الطبيعة.

ولأول مرة في العالم قام علماء من الجامعة الوطنية للبحوث التكنولوجية “ميسيس”، وجامعة كارلسروه الألمانية، ومعهد ينا الألماني للتقنيات الضوئية تحت إشراف رئيس مختبر “مواد فائقة التوصيل” في “ميسيس” البروفسور الكسي اوستينوف، بتصميم ما يسمى كيوبت المقابل، وكذلك المادة الخارقة على أساسها. وهذه المادة الكمومية الخارقة الأولى في العالم التي يمكن استخدامها كعنصر تحكم في الدوائر الكهربائية فائقة التوصيل. علماً أن نتائج الدراسة تم نشرها في مجلة “Nature Communications” (https://www.nature.com/articles/s41467-017-02608-8).

المواد الخارقة هي مواد لا تحدد خصائصها من خلال الذرات التي تتكون منها فقط، بقدر ما تحددها البنية التي يتم جمع هذه الذرات فيها. كل بنية من هذا القبيل (يطلق عليها “ذرة خارقة”) لها أحجام تبلغ مئات من العشرات أو حتى مئات نانومتر، وتتمتع بمجموعة خاصة بها من الخصائص، التي تختفي عند محاولة تقسيمها إلى مكونات.

وحتى وقت قريب، كان أحد الاختلافات الجوهرية بين الذرات والذرات الفوقية هو أن خصائص الذرات العادية يمكن وصفها بمعادلات ميكانيكا الكم، وأما الذرات الفوقية بالمعادلات الفيزيائية الكلاسيكية.

وقد أدى إنشاء الكيوبت (أصغر العناصر لتخزين المعلومات في الحاسوب الكمومي) إلى ظهور إمكانية تصميم مادة تتكون من ذرات فوقية، لا يمكن توصيف حالتها إلا من خلال الميكانيكا الكمية فقط. مع أن هذا العمل تطلب إنشاء عناصر كوبيت خاصة.

ويوضح كيريل شولغا، الباحث في مختبر “المواد فائقة التوصيل” التابع لجامعة “ميسيس” قائلاً: “يتكون الكيوبت النموذجي من دارة تتضمن ثلاثة تقاطعات جوزيفسون. في حين تتكون كيوبت المقابل من خمسة تقاطعات، متناظرة بالنسبة للمحور المركزي. كيوبت المقابل تم تصميمه من قبلنا باعتباره نظام أكثر تعقيدا من الكيوبت العادي فائق التوصيل. المنطق هنا بسيط: يتمتع النظام المعقد بشكل اصطناعي مع عدد كبير من درجات الحرية بالمزيد من العوامل التي يمكن أن تؤثر على خصائصه. ومن خلال تغيير بعض المؤشرات الخارجية للبيئة التي توجد فيها المادة الخارقة، يمكن لنا أن نقوم بعملية تفعيل هذه الخصائص أو إبطالها، عبر تحويل الكيوبت المقابل من حالة أساسية مع خصائص واحدة إلى حالة أخرى.

وقد اتضح من خلال التجربة، أن المادة الخارقة، المكونة من الكيوبت المقابل يمكن أن تتحول بين وضعيتين. في إحداها، سلسلة الكيوبت هذه تمرر الإشعاع الكهرومغناطيسي بشكل جيد جدا ضمن نطاق موجات الميكروويف، في حين تبقى عنصراً كمومياً. في الوضعية الأخرى، فإنه يتم تحول مرحلة فائقة التوصيل 180 درجة وتمنع مرور الموجات الكهرومغناطيسية من خلالها. ومن المهم في هذه الحالة أنها تبقى نظاماً كمومياً.

سبوتنيك