تكنولوجيا

منصة جديدة قوية لأجهزة الكم القابلة للتخصيص

تصميم كيوبتات جزيئية قابلة للضبط

يجمع الباحثون أدوات الكيمياء والفيزياء معًا لتطوير قواعد التصميم للكيوبتات الجزيئية القابلة للضبط. الائتمان: صورة جامعة شيكاغو.

يؤدي النهج الأساسي لتصميم الكيوبت إلى إطار عمل جديد لإنشاء أجهزة كم متعددة الاستخدامات ومخصصة للغاية.

التقدم في علم الكم لديه القدرة على إحداث ثورة في الطريقة التي نعيش بها. أجهزة الكمبيوتر الكمومية وعد بحل المشاكل غير القابلة للحل اليوم ، ويمكننا استخدامها يومًا ما شبكات الكم مثل طرق المعلومات السريعة المضادة للقراصنة.

يعتمد إدراك هذه التقنيات الموجهة نحو المستقبل بشكل كبير على الكيوبت ، المكون الأساسي لأنظمة الكم. يتمثل التحدي الرئيسي في أبحاث الكيوبت في تصميمها لتكون قابلة للتخصيص ومناسبة للعمل مع جميع أنواع أجهزة الاستشعار والاتصالات والحوسبة.

اتخذ العلماء خطوة كبيرة في تطوير الكيوبتات المفصلة حسب الطلب. في مقال نشر في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكيةالفريق الذي يضم باحثين من معهد ماساتشوستس للتكنولوجياال جامعة شيكاغوو جامعة كولومبيايوضح كيف يمكن ضبط عائلة جزيئية معينة من الكيوبتات على نطاق واسع ، مثل تشغيل قرص حساس على راديو واسع النطاق.

يصف الفريق أيضًا ميزات التصميم الأساسية التي تتيح التحكم الدقيق في هذه البتات الكمومية.

“هذه منصة جديدة لتصميم الكيوبتات. قالت دانا فريدمان ، أستاذة الكيمياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والمؤلفة المشاركة للدراسة ، “يمكننا استخدام إستراتيجيتنا التصميمية التي يمكن التنبؤ بها والتحكم فيها وضبطها لإنشاء نظام كمي جديد”. “لقد أظهرنا مجموعة واسعة من إمكانيات الضبط التي تعمل عليها مبادئ التصميم هذه.”

هذا العمل مدعوم جزئيًا من قبل Q-NEXT ، وهو مركز أبحاث علوم معلومات الكم القومي التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE) بقيادة مختبر أرجون الوطني.

يركز عمل الباحثين على مجموعة محددة من الجزيئات: تلك التي تحتوي على الكروم المركزي ذرة محاطة بأربعة جزيئات هيدروكربونية لتشكيل هيكل هرمي.

ميزة Qubit الجزيئية

الكيوبت هو المكافئ الكمي لبت الكمبيوتر التقليدي. فيزيائيًا ، يمكن أن تتخذ أشكالًا عديدة ، مثل ذرة معدة خصيصًا داخل بلورة أو دائرة كهربائية. يمكن أن يكون أيضًا جزيءًا مصنوعًا في المختبر.

تتمثل إحدى فوائد الكيوبت الجزيئي في أنه ، مثل أداة صغيرة مطبوعة ثلاثية الأبعاد ، يمكن تصميمها من الأسفل إلى الأعلى ، مما يمنح العالم حرية ضبط الكيوبت لوظائف مختلفة.

قالت ليا فايس ، باحثة ما بعد الدكتوراه في جامعة شيكاغو والمؤلفة المشاركة في الدراسة: “إننا نعمل على تغيير التركيب الذري من خلال الكيمياء التركيبية ثم نتعلم كيف تغير هذه التغييرات فيزياء الكيوبت”.

تُخزَّن معلومات الكيوبت الجزيئي في دورانها ، وهي خاصية للمواد على المستوى الذري. يصمم العلماء السبين عن طريق تعديل – ضبط – ترتيب إلكترون الجزيء ، هيكله الإلكتروني. تدخل المعلومات إلى الكيوبت كجسيمات من الضوء ، أو الفوتونات ، ويتم ترميزها في دوران الكيوبت. ثم تُترجم المعلومات المشفرة بالدوران مرة أخرى إلى فوتونات لتتم قراءتها.

أطوال موجات الفوتون المختلفة مناسبة بشكل أفضل للتطبيقات المختلفة. قد يعمل طول موجي واحد بشكل أفضل لتطبيقات الاستشعار البيولوجي ، والآخر للتواصل الكمومي.

الليجند هو الشيء

أحد أقراص الضبط الرئيسية للكيوبت الجزيئي هو شدة مجال الربيطة ، وهي قوة الروابط التي تربط ذرة المعدن المركزية بالهيدروكربونات المحيطة.

“الترابط هو في الأساس كل شيء. قال دان لورنزا ، طالب الدراسات العليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والمؤلف الرئيسي للورقة ، “يمكننا التحكم عن قصد في كيفية تأثير بيئة الترابط على الدوران والتحكم المنطقي في مكان انتهاء الفوتونات المنبعثة”.

أظهر الباحثون أنه يمكنهم ممارسة ضبط دقيق بشكل ملحوظ على هذه الروابط. ليس ذلك فحسب ، بل أظهروا أيضًا أن شدة المجال للروابط قابلة للضبط على نطاق واسع نسبيًا ، بينما قدمت المحاكاة الحاسوبية التي أجراها باحثو كولومبيا نظرة ثاقبة في ميكانيكا الكم حول دور الروابط في التحكم في الخصائص الإلكترونية للجزيء.

امتد الضوء المنبعث من كيوبتات الكروم الخاصة بهم على نطاق مثير للإعجاب يبلغ 100 نانومتر.

قال فريدمان: “هذه مجموعة غير مسبوقة من الضبطات للكيوبتات التي تستهدف تطبيقات التصميم”.

قال: “فقط عن طريق الحفاظ على أيون المعدن المركزي كما هو ، والذي يقوم بالعمل الشاق لمعالجة المعلومات الكمومية ، ولكن تعديل البيئة المحيطة من خلال الروابط ، يمكنك التلاعب بالخصائص” ، جامعة جلاسكوسام بايليس ، المؤلف المشارك للدراسة بينما كان باحثًا ما بعد الدكتوراه في جامعة شيكاغو. “من الصعب جدًا القيام بذلك مع أنظمة أخرى ، مثل أنظمة الحالة الصلبة ، حيث تركز بشكل أساسي على أي خصائص عنصرية تمنحك إياها.”

يتم إنشاء كيوبت الحالة الصلبة عن طريق استخراج قطعة صغيرة بحجم الذرة من بلورة ، والشغور الناتج هو المكان الذي يتم فيه تخزين المعلومات الكمومية ومعالجتها. على الرغم من أن لها مزاياها ، إلا أنه لا يمكن ضبط كيوبتات الحالة الصلبة بنفس الدقة الكيميائية ، على سبيل المثال.

قال فريدمان: “مع هذه ، بشكل فعال ، لا تحصل على أي ضبط”. “أنت حقًا تنتقل من صفر إلى 100 هناك.”

ضع قواعد التصميم

كان الاقتراب من تصميم الجزيء من خلال التركيز على هيكله الإلكتروني – مستويات طاقة الجزيء – بدلاً من هيكله المادي هو المفتاح لاكتشاف الفريق.

قال فريدمان: “إن إلقاء الهيكل المادي خارج النافذة والتركيز كليًا على الهيكل الإلكتروني ، والذي يمكن تحقيقه على مجموعة من المنصات الجزيئية ، هو حقًا التفاصيل المبتكرة الرئيسية”.

حدد الباحثون معايير التصميم لبناء جزيئات مماثلة في ورقتهم ، مما وضع الأساس لإنشاء وحدات كيوبت جزيئية قابلة للضبط يمكن تصميمها للتطبيق في المستقبل.

“بعد أن أثبتت الاحكام قال أراليم كايرالابوفا ، أحد الباحثين في جامعة كولومبيا الذين أجروا الحسابات: “من أساليبنا الحسابية على كيوبتات الكروم ، يمكننا الآن استخدام نفس الأساليب لتبسيط عملية الفرز”.

قال فايس: “من خلال الجمع بين أدوات الكيمياء والفيزياء معًا ، من الممكن البدء في فهم قواعد التصميم التي ستوجه التحسين المستمر لهذه الفئة من الكيوبتات”.

يمكن للمرء تصميم وحدات كيوبت مخصصة مرتبطة بنظام بيولوجي واستخدامها للتحسس الحيوي الكمي. أو يمكن للباحثين تصميم كيوبت بحيث يكون ذائبًا في الماء بحيث يمكنه اكتشاف الإشارات في البيئة المائية.

“أحد الأشياء الرائعة في هذا النظام الأساسي هو أنه إذا لم ينبعث الجزيء بطول موجي معين ، فمن السهل علينا العودة إلى المختبر ، وصنع مادة جديدة بتكلفة منخفضة ، ومعرفة أيها يمنحنا الوظائف المناسبة قال لورنزا: “يمكننا القيام بذلك في أيام. إنه ليس شيئًا يتطلب قدرًا كبيرًا من التصنيع.

يعزو الفريق أيضًا نجاحه إلى الابتكارات في دراسات تفاعلات المادة الخفيفة.

قال بايليس: “قبل بضع سنوات كان مجرد حلم – أن يكون لدينا مجموعة من الأنظمة الجزيئية كمنصة جديدة لعلوم المعلومات الكمومية”. “رؤية ما نحن فيه الآن أمر مثير حقًا.”

يخطط الفريق لاستكشاف بيئات ترابطية مختلفة لتوسيع نطاق انبعاث الفوتون.

قال لورنزا: “هذه الآن نقطة انطلاق نأمل أن تسمح بدعوة المزيد من الكيميائيين إلى هذا الفضاء ، مما يفتح المجال أمام نطاق أوسع بكثير من الكيميائيين الذين يمكنهم المساهمة قليلاً في علم المعلومات الكمومية”.

المرجع: “Tunable Cr4+ مراكز الألوان الجزيئية “بقلم دانيال دبليو لورنزا ، وأراليم كايرالابوفا ، وسام إل بايليس ، وتمار جولدزاك ، وصامويل م. بيركيلباخ ودانا إي فريدمان ، 24 نوفمبر 2021 ، مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية.
دوى: 10.1021 / jacs.1c10145

تم دعم هذا العمل من قبل مراكز أبحاث علوم معلومات الكم الوطنية التابعة لوزارة الطاقة الأمريكية.

حول Q-NEXT

يجمع Q-NEXT ، وهو مركز أبحاث علوم معلومات الكم القومي التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE) بقيادة مختبر أرغون الوطني ، ما يقرب من 100 باحث عالمي المستوى من المعامل الوطنية والجامعات وشركات التكنولوجيا الأمريكية الكبرى لتطوير العلوم والتكنولوجيا للتحكم و توزيع المعلومات الكمومية. سيقوم المتعاونون في Q-NEXT والمؤسسات بإنشاء مسبكين وطنيين للمواد والأجهزة الكمومية ، وتطوير شبكات من أجهزة الاستشعار وأنظمة الاتصالات الآمنة ، وإنشاء المحاكاة واختبار الشبكة ، وتدريب القوى العاملة. القيادة الاقتصادية. في هذا المجال سريع التطور.


Source link

مقالات ذات صلة

أضف تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

Back to top button