שיטה חדשה הופכת חומרים יומיומיים כמו זכוכית לחומרים קוונטיים

פריצת דרך זו תאפשר למדענים להמיר חומרים יומיומיים למוליכים לשימוש במחשבים קוונטיים.

מחקר שנערך לאחרונה על ידי מדענים מאוניברסיטת קליפורניה, אירווין ולוס אלמוס המעבדה הלאומית, פורסם ב- תקשורת טבעחושף שיטה פורצת דרך להפיכת חומרים יומיומיים, כמו זכוכית, לחומרים שמדענים יכולים להשתמש בהם לייצור מחשבים קוונטיים.

"החומרים שיצרנו הם חומרים שמפגינים תכונות חשמליות או קוונטיות ייחודיות בגלל הצורות או המבנים האטומיים הספציפיים שלהם", אמר לואיס א' יאורגוי, פרופסור לפיזיקה ואסטרונומיה ב-UCI והמחבר הראשי של המאמר החדש. "תאר לעצמך אם היינו יכולים להפוך זכוכית, הנחשבת בדרך כלל לחומר מבודד, ולהמיר אותה למוליכים יעילים הדומים לנחושת. זה מה שעשינו."

מחשבים רגילים משתמשים בסיליקון כמוליך, אבל לסיליקון יש גבולות. מחשבים קוונטיים עומדים לעזור לעקוף את הגבולות הללו, ושיטות כמו אלו שתוארו במחקר החדש יסייעו למחשבים קוונטיים להפוך למציאות יומיומית.

"ניסוי זה מבוסס על היכולות הייחודיות שיש לנו ב-UCI לגידול חומרים קוונטיים באיכות גבוהה. איך אנחנו יכולים להפוך את החומרים האלה שהם מוליכים גרועים למנצחים טובים?" אמר Jauregui, שהוא גם חבר במכון Eddleman Quantum של UCI. "זה מה שעשינו בעיתון הזה. יישמנו טכניקות חדשות על החומרים האלה, והפכנו אותם להיות מוליכים טובים."

תפקידו של המתח בטרנספורמציה החומרית

המפתח, הסביר Jauregui, היה הפעלת המתח הנכון על חומרים בקנה מידה אטומי. לשם כך, הצוות עיצב מנגנון מיוחד שנקרא "תחנת כיפוף" בחנות המכונות בבית הספר למדעי הפיזיקה של UCI שאיפשר להם להפעיל מאמץ גדול כדי לשנות את המבנה האטומי של חומר הנקרא הפניום פנטטלוריד מ"טריוויאלי" חומר לחומר המתאים למחשב קוונטי.

"כדי ליצור חומרים כאלה, אנחנו צריכים 'לנקוע חורים' במבנה האטומי", אמר Jauregui. "המתח מאפשר לנו לעשות את זה."

"אתה יכול גם להפעיל או לכבות את השינוי במבנה האטומי על ידי שליטה במתח, וזה שימושי אם אתה רוצה ליצור מתג הדלקה-כיבוי עבור החומר במחשב קוונטי בעתיד", אמר Jinyu Liu, שהוא הראשון מחבר המאמר ופוסט-דוקטורט שעובד עם Jauregui.

"אני מרוצה מהאופן שבו סימולציות תיאורטיות מציעות תובנות מעמיקות לגבי תצפיות ניסויות, ובכך להאיץ את הגילוי של שיטות לשליטה במצבים הקוונטיים של חומרים חדשים", אמר שותף-כותב Ruqian Wu, פרופסור לפיזיקה ומנהל שותף של מרכז UCI עבור חומרים מורכבים ופעילים – מרכז המדע הלאומי לחקר חומרים למדע והנדסה (MRSEC). "זה מדגיש את ההצלחה של מאמצים משותפים הכוללים מומחיות מגוונת במחקר חזיתי."

"אני נרגש שהצוות שלנו הצליח להראות שניתן ליצור את המצבים החומריים החמקמקים והמבוקשים האלה", אמר מייקל פטס, מחבר מחקר ומדען עם המרכז לננו-טכנולוגיות משולבות במעבדה הלאומית של לוס אלמוס. "זה מבטיח לפיתוח של מכשירים קוונטיים, והמתודולוגיה שאנו מדגימים תואמת גם לניסויים בחומרים קוונטיים אחרים."

נכון לעכשיו, מחשבים קוונטיים קיימים רק במקומות בודדים, כמו למשל במשרדים של חברות כמו IBM, Google ו-Rigetti. "גוגל, יבמ וחברות רבות אחרות מחפשות מחשבים קוונטיים יעילים שנוכל להשתמש בהם בחיי היומיום שלנו", אמר Jauregui. "התקווה שלנו היא שהמחקר החדש הזה יעזור להפוך את ההבטחה של מחשבים קוונטיים למציאות יותר."

המימון הגיע מה-UCI-MRSEC – מענק קריירה של NSF לקרנות של תכנית המחקר והפיתוח בכוונת המעבדה הלאומית של Jauregui ולוס אלמוס.

במחקר זה השתתפו סטודנטים לתארים מתקדמים ותואר ראשון של UCI, כולל רוברט וולסר, סבסטיאן יפס רודריגז, מתיו דלמונט וטרייט הו.