استفاده از پدیدههای کوانتومی میتواند منجر به ساخت غولهای محاسباتی یا همان کامپیوترهای کوانتومی شود، ماشینهایی که قادرند مسائل لاینحل کامپیوترهای سنتی را در کسری از ثانیه حل کنند. یکی از مشکلات مهم برای ساخت پردازندههای کوانتومی، ردیابی و کنترل سیستمهای کوانتومی آنها در لحظه میباشد که البته کار دشواری است؛ زیرا سیستمهای کوانتومی بسیار حساس هستند. اکنون محققان توانستهاند با روشی زیرکانه، رفتارهای کوانتومی سیستمی خاص به نام ترانسمون را کنترل کنند. با دیپ لوک همراه باشید…
محققان توانستند پدیدههای کوانتومی را در یک مدار الکتریکی طراحی شدهی ویژه، به نام ترانسمون (transmon) کنترل کنند. خنک کردن یک تراشهی ترانسمون تا چند هزارم درجه بالای صفر مطلق، یک حالت کوانتومی را القا میکند و تراشه شروع به رفتار مانند یک اتم مصنوعی میکند. یکی از ویژگیهای کوانتومی مورد علاقهی محققان، این است که انرژی ترانسمون میتواند فقط مقادیر خاصی بگیرد که ترازهای انرژی نام دارند. ترازهای انرژی مانند پلههای یک نردبان هستند: فردی در حال بالا رفتن از یک نردبان باید یک پله را اشغال کند و نمیتواند جایی بین دو پله بایستد. به همین ترتیب، انرژی ترانسمون تنها میتواند مقادیر مجموعهی این ترازهای انرژی را اشغال کند. ریزموجهای روی مدار، ترانسمون را برای جذب انرژی و بالا رفتن از پلههای نردبان تحریک میکنند.
در مقالهای که چهار روز پیش در مجلهی Science Advances منتشر شد، گروهی از دانشگاه آلتوی فنلاند، جهش ترانسمون (transmon jump) روی بیش از یک تراز انرژی را در یک تک مرحله انجام دادند. پیش از این، جهش ترانسمون، فقط با تنظیم بسیار دقیق و آهستهی تک سیگنالهای ریزموجی که این دستگاه را کنترل میکنند، امکانپذیر شده بود. در این کار جدید، یک سیگنال ریزموج اضافی کنترلی، به شکلی بسیار خاص، منجر به یک تغییر سریع و دقیق در تراز انرژی ترانسمون میشود. نویسندهی اصلی این مقاله میگوید:
ما در فنلاند میگوییم: به آرامی انجام بده، اما ما توانستیم نشان دهیم که با تصحیح پیوستهی حالت سیستم، میتوانیم این روند را سریعتر و با دقت بالاتری انجام دهیم.
یکی دیگر از نویسندگان مقاله، کنترل کوانتومی (یعنی فرآیند استفاده از تراشههایی مثل ترانسمونها برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی) را دوباره با مثال «بالا رفتن از نردبان» توصیف میکند:
برای بدست آوردن یک سیستم کوانتومی مفید، تصور کنید در حال بالا رفتن از یک نردبان هستید و یک لیوان آب را نگه داشتهاید، اگر این کار را به آرامی انجام دهید، میتوانید از پلهها بالا بروید، اما اگر این کار را خیلی سریع انجام دهید، آب از لیوان بیرون میریزد. مطمئنا، این کار نیاز به مهارت خاصی دارد.
محققان دریافتند که در دنیای کوانتوم، حقهی لازم برای بالا رفتن از نردبان انرژی با سرعت زیاد و بدون ریختن قطرهای آب از درون لیوان، با دقت پریدن از دو پله در یک زمان است. این میانبر برای نردبان انرژی، با ساخت یک ترانسمون که دو فوتون ریزموج را به طور همزمان، جذب میکند، به دست آمد. قوانین طبیعت، بر سرعت هر نوع سوییچ انرژی کوانتومی، حتی با وجود میانبرها، محدودیتی به نام «حد سرعت کوانتومی» میگذارد. دانشمندان آلتو دریافتند روش جدید آنها منجر به تغییر سطح انرژی در سرعتهایی نزدیک به حد محاسبه شدهی نظری سرعت کوانتومی میشود.
کنترل انتقالات انرژی با سرعت بالا در سیستمهای کوانتومی، کاربردهای هیجانانگیز دیگری مانند محاسبات کوانتومی و برنامههای کاربردی شبیهسازی کوانتومی دارد. محققان میگویند:
ما میخواهیم فرآیندهای مربوط به انتقال انرژی را عمیقتر درک کنیم؛ چرا که آنها در همه جای طبیعت و فناوریهایی که ما را احاطه کردهاند، وجود دارند؛ مثلا آیا محدودیتی اساسی برای چگونگی تسریع شارژ باتری یک ماشین الکتریکی وجود دارد؟