SciTechDaily

ניקולס

מאבקה לבנה נפוצה לחדשנות קוונטית: פתיחת קוויביטים כמעט חסרי רעש

חוקרים בראשות בית הספר להנדסה מולקולרית של UChicago Pritzker, פרופסור ג'וליה גאל, יחד עם משתפי פעולה בשבדיה, השתמשו בגישות תיאורטיות וחישוביות כדי לגלות כיצד פגמים בתחמוצת סידן פשוטה יכולים לייצר קיוביטים עם קומץ תכונות מבטיחות. קרדיט: בית הספר להנדסה מולקולרית של UChicago Pritzker / פיטר אלן, ערוך

חוקרים גילו שאטומי ביסמוט המוטבעים בתחמוצת סידן יכולים לתפקד כקיוביטים עבור מחשבים קוונטיים, ולספק אלטרנטיבה נמוכה, עמידה וזולה לחומרים הנוכחיים. מחקר פורץ דרך זה מדגיש את הפוטנציאל שלו לשנות מחשוב קוונטי ותקשורת.

תחמוצת סידן היא תרכובת כימית זולה וגירי המשמשת לעתים קרובות בייצור של מלט, טיח, נייר ופלדה. עם זאת, ייתכן שלחומר הנפוץ בקרוב יהיה יישום הייטק יותר.

מדענים השתמשו בגישות תיאורטיות וחישוביות כדי לגלות כיצד אטומים זעירים ובודדים של ביסמוט המוטבעים בתוך תחמוצת סידן מוצקה יכולים לפעול כקיוביטים – אבני הבניין של מחשבים קוונטיים והתקני תקשורת קוונטיים. קיוביטים אלה תוארו על ידי אוניברסיטת שיקגו חוקרי בית הספר להנדסה מולקולרית פריצקר ומשתף הפעולה שלהם בשוודיה ב-6 ביוני בכתב העת המדעי תקשורת טבע.

"למערכת הזו יש תכונות אפילו טובות יותר ממה שציפינו", אמרה ג'וליה גאלי, פרופסור למשפחה של ליאו בפריצקר להנדסה מולקולרית וכימיה ומחברת בכירה של העבודה החדשה. "יש לו רמת רעש נמוכה להפליא, יכול להחזיק מידע לאורך זמן, ואינו עשוי מחומר מהודר ויקר."

תחמוצת סידן

תחמוצת סידן, הידועה גם בשם סיד חצוי, היא תרכובת כימית לבנה, קאוסטית, אלקלית המופקת מאבן גיר וחומרים עשירים בסידן אחרים. הוא משמש בעיקר בייצור מלט וטיט, וכן בתעשיית הפלדה, לטיפול במים ובייצור זכוכית, קרמיקה ונייר. כאשר הוא מעורבב עם מים, הוא מגיב בצורה אקזותרמית ליצירת סידן הידרוקסיד, הידוע בכינויו סיד שפוי.

התקדמות בפיתוח קוביט

סיבית קוונטית, או קיוביט, היא יחידת המידע הבסיסית המקודדת נתונים במחשוב קוונטי. כיום, חוקרים פיתחו סוגים רבים ושונים של קיוביטים, אשר מורכבים לרוב מפגמים נקודתיים זעירים בתוך חומרים מוליכים למחצה. חלק מהמאפיינים של פגמים אלה יכולים לשמש לאחסון פיסות מידע. עם זאת, קיוביטים קיימים רבים שבריריים להפליא; "רעש" אלקטרוני או מגנטי בסביבתם יכול לשנות את המאפיינים שלהם, למחוק כל מידע שהיה מקודד בתוכם.

בשנת 2022, שיתוף פעולה בין מדענים ביפן לקבוצות של דוד אושלום וגלי הדמה את התכונות של יותר מ-12,000 חומרים כדי לגלות מוצקים פוטנציאליים חדשים שיכולים להכיל פגמים מבטיחים הפועלים כקיוביטים. עבודה זו העלתה את תחמוצת הסידן כאחד ממספר חומרים בעלי פוטנציאל להכיל קיוביטים המקודדים מידע עם רמות נמוכות מאוד של רעש למשך פרק זמן ארוך במיוחד.

גילוי חומרים קוונטיים חדשים

"העבודה הקודמת שלנו אמרה לנו שאם תמצאו את הפגמים הנכונים להכניס למבנה שלו, תחמוצת סידן תהיה אמצעי מושלם לאחסון מידע קוונטי", אמרה ניקיטה אוניז'וק, פוסט-דוקטורט בקבוצת גאלי ואחד ממחבריו של עיתון. "אז המטרה החדשה שלנו הייתה למצוא את הפגם האידיאלי."

במאמר החדש, גלי ועמיתיה השתמשו בשורה של שיטות חישוביות שהוקמו בשנים האחרונות כדי לסנן יותר מ-9,000 פגמים שונים בתוך תחמוצת סידן על הפוטנציאל שלהם כקיוביטים. התוצאות הצביעו על סוג אחד של פגם – שבו אנטימון, ביסמוט או יוד אָטוֹם מוטבע בתוך המבנה הרגיל של סידן וחמצן המרכיבים תחמוצת סידן.

"יש לו רמת רעש נמוכה להפליא, יכול להחזיק מידע לאורך זמן, ואינו עשוי מחומר מהודר ויקר."
פרופ' ג'וליה גאלי

"אף פעם לא יכולנו לנחש שהפגמים המדויקים האלה יהיו כל כך מבטיחים", אמר ג'ואל דוידסון מאוניברסיטת לינקופינג, המחבר הראשון של המאמר והמפתח הראשי של גישת התפוקה הגבוהה המשמשת לגילוי פגמי ספין חדשים. "הדרך היחידה לעשות זאת הייתה עם נהלי מסך יסודיים וחסרי פניות."

לאחר מכן, הצוות של גאלי הראה באמצעות גישות המודלים שלהם כי פגם הביסמוט בתוך תחמוצת סידן יכול באופן תיאורטי לקודד נתונים עם מעט רעש ולמשך פרקי זמן ארוכים יחסית (מספר שניות בהשוואה לאלפיות השניות של קוהרנטיות המוצגות על ידי קיוביטים רבים). יש לו גם פוטנציאל להשתלב היטב במכשירי טלקומוניקציה בגלל מקדם השבירה של החומר ויכולתו לפלוט פוטונים של אור.

גאלי ומשתפי הפעולה עובדים כעת עם קבוצות ניסוי שיכולות לבנות את החומרים המבוססים על תחמוצת סידן ולבדוק אם התחזיות מתאימות.

"אנחנו בשלבים מוקדמים מאוד, אבל מנקודת מבט מדעית בסיסית, אנחנו חושבים שהחומר הזה מאוד מבטיח", אמר גאלי.

מימון: עבודה זו נתמכה על ידי מרכז המחקר השבדי למדע אלקטרוני (SeRC), קרן קנוט ואליס ולנברג, מועצת המחקר השוודית, מלגת דוקטורט של Google, והמשרד למחקר מדעי של חיל האוויר.

ניקולס