צוות המחקר של אוניברסיטת סטנפורד עשה פריצת דרך משמעותית בטכנולוגיה הקוונטית על ידי שיפור קיוביטים מבוססי ניוביום כדי להתאים לחלופות מובילות. התקדמות זו מדגישה את הפוטנציאל של ניוביום לפעול בטמפרטורות גבוהות יותר ובטווחים רחבים יותר, ופותחת אפשרויות חדשות למחשוב קוונטי. קרדיט: twoday.co.il.com
הרחבת האפשרויות לקיוביטים מוליכים-על.
במשך שנים, ניוביום נחשב לביצועים חסרים בכל הקשור לקיוביטים מוליכים-על. כעת מדענים הנתמכים על ידי Q-NEXT מצאו דרך להנדס קיוביט מבוסס ניוביום בעל ביצועים גבוהים וכך לנצל את התכונות המעולות של הניוביום.
כשזה מגיע לטכנולוגיה קוונטית, הניוביום עושה קאמבק.
ב-15 השנים האחרונות ניוביום ישב על הספסל לאחר שחווה כמה עטלפים בינוניים כחומר קיוביט ליבה.
קוויביטים הם המרכיבים הבסיסיים של מכשירים קוונטיים. סוג קיוביט אחד מסתמך על מוליכות-על לעיבוד מידע.
פריצת דרך בטכנולוגיה קוונטית
ניוביום, שזכה לכישורים המעולים שלו כמוליך-על, הוא תמיד מועמד מבטיח לטכנולוגיות קוונטיות. עם זאת, מדענים גילו שניוביום קשה להנדס כרכיב קיוביט ליבה, ולכן הוא נדחק למחרוזת השנייה ב-Team Superconducting Qubit.
כעת, קבוצה בראשות דייוויד שוסטר מאוניברסיטת סטנפורד הדגימה דרך ליצור קיוביטים מבוססי ניוביום שמתחרים ברמת האמנות החדישה עבור הכיתה שלהם.
"זו הייתה גיחה ראשונה מבטיחה, לאחר שהקימו לתחייה את צומת הניוביום. … עם הטווח התפעולי הרחב של קיוביטים מבוססי ניוביום, אנו פותחים סט חדש לגמרי של יכולות לטכנולוגיות קוונטיות עתידיות." — דיוויד שוסטר, אוניברסיטת סטנפורד
"הראינו שניוביום רלוונטי שוב, מה שמרחיב את האפשרויות של מה שאנחנו יכולים לעשות עם קיוביטים", אמר אלכסנדר אנפרוב מה- אוניברסיטת שיקגוחטיבת מדעי הפיזיקה של, אחד המדענים המובילים של התוצאה.
עבודת הצוות מתפרסמת ב בוצעה ביקורת פיזית ונתמך בחלקו על ידי Q-NEXT, מרכז המחקר הלאומי למדעי המידע הקוונטי של משרד האנרגיה האמריקאי (DOE) בראשות המעבדה הלאומית של DOE Argonne.
על ידי רתימת התכונות הבולטות של הניוביום, מדענים יוכלו להרחיב את היכולות של מחשבים קוונטיים, רשתות וחיישנים. טכנולוגיות קוונטיות אלו מסתמכות על פיזיקת הקוונטים כדי לעבד מידע בדרכים שמתעלות על מקביליהן המסורתיים וצפויות לשפר תחומים מגוונים כמו רפואה, פיננסים ותקשורת.
צומת ג'וזפסון הוא לב עיבוד המידע של הקיוביט המוליך-על. בתמונה כאן הוא צומת הניוביום ג'וזפסון שהונדס על ידי דיוויד שוסטר מאוניברסיטת סטנפורד וצוותו. עיצוב הצומת שלהם הקים לתחייה את הניוביום כאפשרות קיימא כחומר קיוביט ליבה. קרדיט: אלכסנדר אנפרוב/מתקן ננו-ייצור פריצקר של אוניברסיטת שיקגו
יתרון הניוביום
כשזה מגיע לקיוביטים מוליכי-על, האלומיניום שלט במקום. קיוביטים מוליכים-על מבוססי אלומיניום יכולים לאחסן מידע במשך זמן רב יחסית לפני שהנתונים מתפוררים באופן בלתי נמנע. זמני קוהרנטיות ארוכים יותר פירושם יותר זמן לעיבוד מידע.
זמני הקוהרנטיות הארוכים ביותר עבור קיוביט מוליך-על מבוסס אלומיניום הם כמה מאות מיליוניות השנייה. לעומת זאת, בשנים האחרונות, הקיוביטים הטובים ביותר מבוססי ניוביום הניבו זמני קוהרנטיות קצרים פי 100 – כמה מאות מיליארדיות השנייה.
למרות חיי הקיוביט הקצרים, ניוביום החזיק באטרקציות. קיוביט מבוסס ניוביום יכול לפעול בטמפרטורות גבוהות יותר מאשר מקבילו מאלומיניום ולכן ידרוש פחות קירור. הוא יכול גם לפעול על פני טווח תדרים גדול פי שמונה וטווח שדה מגנטי גדול פי 18,000 בהשוואה לקיוביטים מבוססי אלומיניום, ולהרחיב את תפריט השימושים למשפחת הקיוביטים המוליכים-על.
מבחינה אחת, לא הייתה תחרות בין שני החומרים: טווח הפעולה של ניוביום הקצר את אלומיניום. אבל במשך שנים, זמן הקוהרנטיות הקצר הפך את הקיוביט המבוסס על ניוביום ללא-סטרטר.
"אף אחד לא באמת עשה כל כך הרבה קיוביטים מצמתי ניוביום כי הם הוגבלו על ידי הקוהרנטיות שלהם", אמר אנפרוב. "אבל הקבוצה שלנו רצתה ליצור קיוביט שיוכל לעבוד בטמפרטורות גבוהות יותר ובטווח תדרים גדול יותר – ב-1 K ו-100 גיגה-הרץ. ועבור שני המאפיינים הללו, אלומיניום אינו מספיק. היינו צריכים משהו אחר".
אז, הצוות בדק שוב את הניוביום.
לאבד את האובדן
ספציפית, הם הביטו בצומת הניוביום ג'וזפסון. צומת ג'וזפסון הוא לב עיבוד המידע של הקיוביט המוליך-על.
בעיבוד מידע קלאסי, הנתונים מגיעים בסיביות שהן 0 או 1. בעיבוד מידע קוונטי, קיוביט הוא תערובת של 0 ו-1. המידע של הקיוביט המוליך-על "חי" כתערובת של 0 ו-1 בתוך הצומת. ככל שהצומת יכול להחזיק את המידע באותו מצב מעורב, כך הצומת טוב יותר והקיוביט טוב יותר.
צומת ג'וזפסון בנוי כמו סנדוויץ', המורכב משכבה של חומר לא מוליך שנדחס בין שתי שכבות של מתכת מוליכת-על. מוליך הוא חומר המספק מעבר קל לזרם חשמלי. מוליך-על מעלה אותו מדרגה: הוא נושא זרם חשמלי עם התנגדות אפסית. אנרגיה אלקטרומגנטית זורמת בין השכבות החיצוניות של הצומת במצב קוונטי מעורב.
צומת אלומיניום ג'וזפסון האופייני והאמין עשוי משתי שכבות אלומיניום ושכבה אמצעית של תחמוצת אלומיניום. צומת ניוביום טיפוסי עשוי משתי שכבות של ניוביום ושכבה אמצעית של תחמוצת ניוביום.
קבוצתו של שוסטר גילתה ששכבת תחמוצת הניוביום של הצומת ספגה את האנרגיה הדרושה לשמירה על מצבים קוונטיים. הם גם זיהו את הארכיטקטורה התומכת של צומת הניוביום כמקור גדול לאובדן אנרגיה, מה שגורם למצב הקוונטי של הקיוביט להתפרץ החוצה.
פריצת הדרך של הצוות כללה הן סידור צומת חדש והן טכניקת ייצור חדשה.
הסידור החדש קרא לחבר מוכר: אלומיניום. העיצוב ביטל את תחמוצת הניוביום יונקת האנרגיה. ובמקום שני חומרים נפרדים, הוא השתמש בשלושה. התוצאה הייתה צומת תלת שכבתי בעל אובדן נמוך – ניוביום, אלומיניום, תחמוצת אלומיניום, אלומיניום, ניוביום.
"עשינו את הגישה הזו של הטוב משני העולמות", אמר אנפרוב. "השכבה הדקה של האלומיניום יכולה לרשת את תכונות המוליכות העל של הניוביום הסמוך. כך נוכל להשתמש בתכונות הכימיות המוכחות של האלומיניום ועדיין להיות בעל תכונות מוליכות-על של ניוביום".
טכניקת הייצור של הקבוצה כללה הסרת פיגומים שתמכו בצומת הניוביום בתוכניות קודמות. הם מצאו דרך לתחזק את מבנה הצומת תוך היפטרות מהחומר החיצוני שגורם לאובדן שהפריע לקוהרנטיות בתכנונים קודמים.
"מסתבר שרק להיפטר מהזבל עזר", אמר אנפרוב.
קוביט חדש נולד
לאחר שילוב הצומת החדש שלהם בקווביטים מוליכים-על, קבוצת שוסטר השיגה זמן קוהרנטיות של 62 מיליוניות השניה, פי 150 יותר מקודמיו הניוביום בעלי הביצועים הטובים ביותר. הקיוביטים גם הציגו גורם איכות – אינדקס של כמה טוב קיוביט מאחסן אנרגיה – של 2.57 x 105שיפור של פי 100 לעומת קיוביטים מבוססי ניוביום קודמים ותחרותי עם גורמי איכות מבוססי אלומיניום.
"עשינו את הצומת הזה שעדיין יש לו את התכונות היפות של ניוביום, ושיפרנו את תכונות האובדן של הצומת", אמר אנפרוב. "אנחנו יכולים להתעלות באופן ישיר על כל קיוביט אלומיניום מכיוון שאלומיניום הוא חומר נחות במובנים רבים. עכשיו יש לי קיוביט שלא מת בטמפרטורות גבוהות יותר, וזה הבועט הגדול".
התוצאות ככל הנראה יעלו את מקומו של הניוביום בשורה של חומרי קיוביט-על מוליכים.
"זו הייתה גיחה ראשונה מבטיחה, לאחר שהקימה לתחייה את צומת הניוביום", אמר שוסטר. "עם הטווח התפעולי הרחב של קיוביטים מבוססי ניוביום, אנו פותחים סט חדש לגמרי של יכולות לטכנולוגיות קוונטיות עתידיות."
עבודה זו נתמכה על ידי ה-DOE Office of Science National Research Centers Quantum Information Science כחלק ממרכז Q-NEXT. זה נתמך חלקית על ידי אוניברסיטת שיקגו מרכז מחקר המדע וההנדסה לחומרים, אשר ממומן על ידי הקרן הלאומית למדע.
מחקר זה נערך על ידי חוקרים במעבדה הלאומית של DOE Argonne, מעבדת ה-Fermi National Accelerator Laboratory של DOE, מעבדת המאיץ הלאומית SLAC של DOE, אוניברסיטת סטנפורד ואוניברסיטת שיקגו.
