Newswise – محققان از ابزار جدیدی برای کمک به بهبود یک جزء کلیدی در تولید تجاری استفاده می کنند محاسبات کوانتومی زنجیر. تیمی از دانشمندان در آزمایشگاه ملی ایمز وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) با مشارکت مرکز مواد و سیستم‌های کوانتومی ابررسانا (SQMS)، یک مرکز ملی تحقیقات اطلاعات کوانتومی DOE به رهبری Fermilab، استفاده کردند. میکروسکوپ تراهرتز SNOM، در ابتدا در آزمایشگاه ایمز برای مطالعه رابط و اتصال نانو جوزفسون Junction (JJ) توسعه یافت. JJ، یک جزء کلیدی در کامپیوترهای کوانتومی ابررسانا، توسط رایانش ریگتییک شریک SQMS. JJ به طور موثر یک سیستم دو سطحی را در دمای بسیار پایین برودتی تولید می کند که یک بیت کوانتومی تولید می کند. تصاویری که آنها با میکروسکوپ تراهرتز به دست آوردند، یک مرز نقص در اتصال نانو را نشان می دهد که باعث ناپیوستگی در رسانایی می شود و به عنوان چالشی برای ایجاد زمان انسجام طولانی مورد نیاز برای محاسبات کوانتومی عمل می کند.
کامپیوترهای کوانتومی از بیت کوانتومی یا کیوبیت تشکیل شده است. کیوبیت ها مانند بیت ها در یک کامپیوتر دیجیتال عمل می کنند. بیت ها کوچکترین واحد داده ای هستند که یک کامپیوتر می تواند پردازش و ذخیره کند. بیت ها دودویی هستند، به این معنی که فقط دو حالت ممکن وجود دارد که می توانند در آنها وجود داشته باشند، 0 یا 1. با این حال، کیوبیت ها به صورت 0 و 1 به طور همزمان در حالت کوانتومی خود وجود دارند و به رایانه های کوانتومی اجازه می دهند اطلاعات بیشتری را در یک زمان پردازش کنند. -سریعتر از رایانه ها امروزه معمولا استفاده می شود.
کیوبیت‌های بهتر در رایانه‌های کوانتومی در درک عملکرد نانو اتصال جوزفسون (JJ)، مؤلفه‌ای که تیم در حال بررسی است، نهفته است. جیگانگ وانگ، دانشمند آزمایشگاه ایمز و رهبر تیم تحقیقاتی، توضیح داد که این JJ جریان ابرجریان را در مدار در دمای برودتی تسهیل می‌کند و این امکان را برای کیوبیت‌ها در حالت کوانتومی خود فراهم می‌کند. مهم است که این جریان یکنواخت و بدون حواس پرتی باقی بماند تا سیستم منسجم بماند.
وانگ توضیح داد: “اجزای ساختاری پیچیده در مدارهای کوانتومی اغلب منجر به تمرکز میدان الکتریکی محلی می‌شود که باعث اتلاف و اتلاف انرژی و در نهایت ناپیوستگی می‌شود.” پس موضوع برق محاسبات کوانتومی کسب و کار این است که چگونه می توان ناهماهنگی را کاهش داد.”
وانگ و تیمش از میکروسکوپ نوری میدان نزدیک اسکن تراهرتز (SNOM) که قبلاً در آزمایشگاه ایمز ساخته شده بود برای تصویربرداری از JJها در جفت میدان الکترومغناطیسی استفاده کردند. این میکروسکوپ از نوک مخصوصی استفاده می‌کند که وضوح میکروسکوپ را تا مقیاس نانو بهبود می‌بخشد، تقریباً هیچ لمسی یا به هیچ وجه بر اجزای اتصال تأثیر نمی‌گذارد. این تیم با استفاده از این میکروسکوپ، تصاویری از جی جی ثبت کردند. اگر قطعه اتصال به درستی ساخته شود، تصاویر به دست آمده یک میدان الکتریکی ثابت را در قطعه نشان می دهند. با این حال، تیم یک قطع ارتباط بین دو قسمت از تقاطع پیدا کرد (تصویر را ببینید).
وانگ توضیح داد که این یافته به دو دلیل مهم است. ابتدا، یک مشکل تولید JJ را شناسایی کرد که Rigetti اکنون می تواند آن را حل کند و در نتیجه کیفیت مدار کوانتومی خود را بهبود بخشد. دوم، نشان می‌دهد که میکروسکوپ تراهرتز توسعه‌یافته در آزمایشگاه ایمز ابزار مفیدی برای غربالگری با توان بالای اجزای مدار کوانتومی است.
وانگ گفت: «این تحقیق نشان می‌دهد که این SNOM تراهرتز ابزاری ایده‌آل است که می‌توانیم از آن برای تجسم توزیع ناهمگن میدان الکتریکی استفاده کنیم. و این امکان شناسایی غیرمخرب و غیر تماسی محدودیت‌های موثر در این نانوترکیب را فراهم می‌کند. در مقیاس نانومتری بسیار دقیق است.»
مدارهای کوانتومی معمولاً در این دماهای بسیار پایین و برودتی کار می کنند. تیم وانگ قبلا نشان داده شده است که میکروسکوپ تراهرتز SNOM می تواند در دماهای بسیار پایین کار کند، “بنابراین هدف نهایی این تحقیق این است که این دستگاه SNOM تراهرتز برودتی شدید را ادامه دهد تا بتواند به این دمای بسیار پایین دست یابد تا بتواند تونل های ابر جریان را دنبال کند. او گفت: زمان واقعی و در فضای واقعی یک کیوبیت فعال.
وانگ تاکید کرد که اگر آزمایشگاه ایمز عضو جامعه SQMS نبود، پیشرفت در این پروژه امکان پذیر نبود. کار کردن با آنها و کمک کردن به عنوان یک جامعه برای پیشبرد کارها یک امتیاز واقعی بود.” برای حل این نوع مشکل بسیار پیچیده فنی و علمی، یک روستا طول کشید. وانگ گفت، داشتن آن تیم چند وجهی واقعاً بسیار مهم بود. من همچنین بسیار خوشحالم که به عنوان بخشی از آزمایشگاه ایمز، ما به مرکز SQMS و ابتکار ملی کوانتومی به شکل مهمی کمک می کنیم.
این تحقیق بیشتر در مقاله مورد بحث قرار گرفته است، “تجسم میدان های دوقطبی ناهمگن توسط جفت نوری تراهرتز در نانو پیوندهای گسستهنوشته شده توسط ریچارد اچ جی کیم، جونگ ام پارک، ساموئل هائوسر، چوانکون هوانگ، دی چنگ، توماس کوشنی، جینسو اوه، کامرون کوپاس، هلال کانسیزوغلو، کامشوار یادوالی، جاش موتوس، لین ژو، لیانگ لو، متیو جی کرامر ، و Jigang Wang، و منتشر شده در فیزیک ارتباطات.
آزمایشگاه ملی ایمز است وزارت انرژی آمریکا دفتر علوم یک آزمایشگاه ملی که توسط دانشگاه ایالتی آیووا اداره می شود. آزمایشگاه ایمز مواد، فناوری ها و راه حل های انرژی نوآورانه ایجاد می کند. ما از تخصص، توانایی های منحصر به فرد و همکاری بین رشته ای خود برای حل مشکلات جهانی استفاده می کنیم.
آزمایشگاه ایمز توسط دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می شود. دفتر علوم بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به https://energy.gov/science.