رسم توضيحي لفنان للسلوك الهيدروديناميكي من مجموعة متفاعلة من عيوب الدوران الكمومي في الماس. الائتمان: نورمان ياو / مختبر بيركلي
مفتاح البحث الذي يقوده مختبر بيركلي للجيل التالي من تقنيات الحوسبة الكمومية.
في عام 1998 ، أجرى باحثون من ضمنهم مارك كوبينيك Mark Kubinec من جامعة كاليفورنيا في بيركلي واحدة من أولى الحسابات الكمومية البسيطة باستخدام الجزيئات الفردية. لقد استخدموا نبضات من موجات الراديو لقلب دوران نواتين في جزيء ، مع كل اتجاه "لأعلى" أو "لأسفل" يخزن المعلومات بالطريقة التي تخزن بها الحالة "0" أو "1" المعلومات في بت بيانات تقليدي . في تلك الأيام الأولى لأجهزة الكمبيوتر الكمومية ، لا يمكن الحفاظ على الاتجاه المشترك للنواتين - أي الحالة الكمومية للجزيء - إلا لفترات وجيزة في بيئات مضبوطة بشكل خاص. بعبارة أخرى ، سرعان ما فقد النظام تماسكه. التحكم في التماسك الكمي هو الخطوة المفقودة لبناء حواسيب كمومية قابلة للتطوير.
الآن ، يقوم الباحثون بتطوير مسارات جديدة لإنشاء وحماية التماسك الكمي. سيؤدي القيام بذلك إلى تمكين أجهزة معالجة المعلومات والقياس الحساسة للغاية التي تعمل في الظروف المحيطة أو حتى القاسية. في عام 2018 ، حصل جويل مور ، كبير علماء هيئة التدريس في مختبر لورانس بيركلي الوطني (مختبر بيركلي) والأستاذ في جامعة كاليفورنيا في بيركلي ، على أموال من وزارة الطاقة لإنشاء وقيادة مركز أبحاث الطاقة الحدودية (EFRC) - يسمى مركز الرواية مسارات التماسك الكمي في المواد (NPQC) - لتعزيز تلك الجهود. قال مور: "تعد EFRCs أداة مهمة لإدارة الطاقة لتمكين التعاون المركّز بين المؤسسات لإحراز تقدم سريع في صدارة المشكلات العلمية التي تقع خارج نطاق المحققين الفرديين".
من خلال NPQC ، علماء من Berkeley Lab و UC Berkeley و UC Santa Barbara و Argonne National Laboratory و جامعة كولومبيا يقودون الطريق لفهم التماسك والتلاعب به في مجموعة متنوعة من أنظمة الحالة الصلبة. يركز نهجهم الثلاثي على تطوير منصات جديدة للاستشعار الكمومي. تصميم مواد ثنائية الأبعاد تستضيف حالات كمومية معقدة ؛ واستكشاف طرق للتحكم الدقيق في الخصائص الإلكترونية والمغناطيسية للمادة عبر العمليات الكمية. يكمن حل هذه المشكلات في مجتمع علوم المواد. يتطلب تطوير القدرة على معالجة التماسك في بيئات واقعية فهمًا متعمقًا للمواد التي يمكن أن توفر بتات كمومية بديلة (أو "كيوبت") أو تقنيات استشعار أو بصرية.
تكمن الاكتشافات الأساسية في تطورات أخرى من شأنها أن تساهم في استثمارات وزارة الطاقة الأخرى عبر مكتب العلوم. مع دخول البرنامج عامه الرابع ، هناك العديد من الاختراقات التي تضع الأساس العلمي للابتكارات في علم المعلومات الكمومية.
المزيد من العيوب ، المزيد من الفرص
تركز العديد من إنجازات NPQC حتى الآن على المنصات الكمية التي تستند إلى عيوب محددة في بنية المادة تسمى عيوب الدوران. يمكن لعيب الدوران في الخلفية البلورية الصحيحة أن يقترب من التماسك الكمي المثالي ، مع امتلاك قوة ووظائف محسّنة بشكل كبير.
يمكن استخدام هذه العيوب لعمل منصات استشعار عالية الدقة. يستجيب كل عيب في الدوران لتقلبات دقيقة للغاية في البيئة ؛ والمجموعات المتماسكة من العيوب يمكن أن تحقق نتائج غير مسبوقة دقة والدقة. لكن فهم كيفية تطور التماسك في نظام من العديد من الدورات ، حيث تتفاعل جميع الدورات مع بعضها البعض ، أمر شاق. لمواجهة هذا التحدي ، يتحول باحثو NPQC إلى مادة مشتركة تبين أنها مثالية للاستشعار الكمومي: الماس.
أثناء تكوين الماس ، يؤدي استبدال ذرة كربون (خضراء) بذرة نيتروجين (أصفر ، N) وإهمال أخرى لترك فراغ (أرجواني ، V) إلى خلل شائع له خصائص دوران محددة جيدًا. الائتمان: نيست
في الطبيعة ، كل كربون ذرة في التركيب البلوري للماس يرتبط بأربع ذرات كربون أخرى. عندما يتم استبدال ذرة كربون واحدة بذرة مختلفة أو يتم حذفها تمامًا ، وهو ما يحدث عادةً عندما تتشكل البنية البلورية للماس ، يمكن أن يتصرف الخلل الناتج أحيانًا مثل نظام ذري له دوران محدد جيدًا - وهو شكل جوهري من الزخم الزاوي الذي يحمله الإلكترونات أو الجسيمات دون الذرية الأخرى. مثل هذه الجسيمات إلى حد كبير ، يمكن أن يكون لعيوب معينة في الماس اتجاه ، أو استقطاب ، إما "تدور لأعلى" أو "تدور لأسفل".
من خلال هندسة العديد من عيوب الدوران المختلفة في شبكة ماسية ، ابتكر نورمان ياو ، عالم هيئة التدريس في مختبر بيركلي وأستاذ الفيزياء المساعد في جامعة كاليفورنيا في بيركلي ، وزملاؤه نظامًا ثلاثي الأبعاد مع دوران منتشر في جميع أنحاء المجلد. ضمن هذا النظام ، طور الباحثون طريقة لاستكشاف "حركة" استقطاب الدوران بمقاييس طول صغيرة.
رسم تخطيطي يصور جيبًا مركزيًا من الدوران الزائد (التظليل الفيروزي) في مكعب ماسي ، ثم ينتشر مثل الصبغة في سائل. الائتمان: مختبر بيركلي
باستخدام مجموعة من تقنيات القياس ، وجد الباحثون أن الدوران يتحرك في النظام الميكانيكي الكمومي تقريبًا بنفس الطريقة التي تتحرك بها الصبغة في السائل. لقد تبين أن التعلم من الأصباغ هو طريق ناجح نحو فهم التماسك الكمي ، كما نُشر مؤخرًا في المجلة الطبيعة. لا يوفر السلوك الناشئ للدوران فقط إطارًا كلاسيكيًا قويًا لفهم ديناميكيات الكم ، ولكن النظام متعدد العيوب يوفر منصة تجريبية لاستكشاف كيفية عمل التماسك أيضًا. وصف مور ، مدير NPQC وعضو في الفريق الذي درس سابقًا أنواعًا أخرى من ديناميكيات الكم ، منصة NPQC بأنها "مثال فريد يمكن التحكم فيه للتفاعل بين الاضطراب ، والتفاعلات ثنائية القطب طويلة المدى بين الدورات ، والتماسك الكمي."
تعتمد أوقات تماسك عيوب الدوران هذه بشكل كبير على محيطها المباشر. ركزت العديد من اختراقات NPQC على إنشاء ورسم خرائط حساسية الإجهاد في الهيكل المحيط بالعيوب الفردية في الماس والمواد الأخرى. يمكن أن يكشف القيام بذلك عن أفضل السبل لهندسة العيوب التي لها أطول أوقات تماسك ممكنة في المواد ثلاثية الأبعاد وثنائية الأبعاد. ولكن كيف يمكن أن ترتبط التغييرات التي تفرضها القوى على المادة نفسها بالتغيرات في تماسك العيب؟
لمعرفة ذلك ، يقوم باحثو NPQC بتطوير تقنية لإنشاء مناطق مشوهة في بلورة مضيفة وقياس الضغط. قال مارتن هولت ، قائد المجموعة في مجهر الإلكترون والأشعة السينية في مختبر أرجون الوطني والمحقق الرئيسي مع NPQC. باستخدام مصدر الفوتون المتقدم ومركز المواد النانوية ، وكلاهما من مرافق المستخدمين في مختبر أرجون الوطني ، يقدم هو وزملاؤه صورة مباشرة للمناطق المشوهة في بلورة مضيفة. حتى الآن ، كان اتجاه العيب في العينة عشوائيًا في الغالب. تكشف الصور عن الاتجاهات الأكثر حساسية ، مما يوفر وسيلة واعدة للاستشعار الكمومي عالي الضغط.
اكتشف العلماء في مختبر بيركلي وجامعة كاليفورنيا في بيركلي بشكل غير متوقع الموصلية الفائقة في طبقة ثلاثية من صفائح الكربون. الائتمان: Feng Wang and Guorui Chen / Berkeley Lab
"إنه لأمر جميل حقًا أنه يمكنك أن تأخذ شيئًا مثل الماس وتجلب إليه منفعته. قال هولت إن امتلاك شيء بسيط بما يكفي لفهم الفيزياء الأساسية ولكن يمكن أيضًا معالجته بما يكفي للقيام بفيزياء معقدة ".
الهدف الآخر لهذا البحث هو القدرة على نقل الحالة الكمومية ، مثل حالة الخلل في الماس ، بشكل متماسك من نقطة إلى أخرى باستخدام الإلكترونات. يدرس عمل علماء NPQC في Berkeley Lab و Argonne Lab الأسلاك الكمية الخاصة التي تظهر في طبقات رقيقة ذريًا لبعض المواد. كانت الموصلية الفائقة تم اكتشافه بشكل غير متوقع في أحد هذه الأنظمة ، طبقة ثلاثية من صفائح الكربون ، من قبل المجموعة بقيادة فينج وانج ، كبير العلماء في كلية بيركلي لاب وأستاذ جامعة كاليفورنيا في بيركلي ، وقائد جهود NPQC في المواد الرقيقة ذريًا. من هذا العمل ، الذي نُشر في مجلة Nature في عام 2019 ، قال وانغ: "إن حقيقة أن نفس المواد يمكن أن توفر كلاً من التوصيل المحمي أحادي البعد والموصلية الفائقة يفتح بعض الاحتمالات الجديدة لحماية ونقل التماسك الكمومي."
نحو أجهزة مفيدة
الأنظمة متعددة العيوب ليست مهمة فقط كمعرفة أساسية بالعلوم. لديهم أيضًا القدرة على أن تصبح تقنيات تحويلية. في المواد الجديدة ثنائية الأبعاد التي تمهد الطريق للإلكترونيات فائقة السرعة وأجهزة الاستشعار فائقة الثبات ، يبحث باحثو NPQC في كيفية استخدام عيوب الدوران للتحكم في الخصائص الإلكترونية والمغناطيسية للمادة. قدمت النتائج الأخيرة بعض المفاجآت.
"الفهم الأساسي للمواد المغناطيسية النانوية وتطبيقاتها في الإلكترونيات السينية أدى بالفعل إلى تحول هائل في التخزين المغناطيسي وأجهزة الاستشعار. قال بيتر فيشر ، كبير العلماء ونائب القسم في قسم علوم المواد في بيركلي لاب ، إن استغلال التماسك الكمي في المواد المغناطيسية يمكن أن يكون القفزة التالية نحو الإلكترونيات منخفضة الطاقة.
تعتمد الخصائص المغناطيسية للمادة كليًا على محاذاة السبينات في الذرات المجاورة. على عكس الدورات المحاذاة بدقة في مغناطيس الثلاجة النموذجي أو المغناطيسات المستخدمة في تخزين البيانات الكلاسيكي ، فإن المغناطيسات المغناطيسية لها تدور متجاورة تشير في اتجاهين متعاكسين وتلغي بعضها البعض بشكل فعال. ونتيجة لذلك ، فإن المغناطيسات الحديدية المضادة لا "تعمل" مغناطيسية وهي قوية للغاية في مواجهة الاضطرابات الخارجية. لطالما سعى الباحثون إلى طرق لاستخدامها في الإلكترونيات القائمة على الدوران ، حيث يتم نقل المعلومات عن طريق الدوران بدلاً من الشحن. المفتاح للقيام بذلك هو إيجاد طريقة للتعامل مع اتجاه الدوران والحفاظ على التماسك.
يمكن لجهاز مغناطيسي غريب أن يزيد من تصغير أجهزة الحوسبة والإلكترونيات الشخصية دون فقدان الأداء. مقياس الشريط الموضح أعلاه هو 10 ميكرومتر. الائتمان: جيمس أناليتيس / مختبر بيركلي
في عام 2019 ، لاحظ باحثو NPQC بقيادة جيمس أناليتيس ، عالم هيئة التدريس في مختبر بيركلي وأستاذ الفيزياء المساعد في جامعة كاليفورنيا في بيركلي ، مع باحث ما بعد الدكتوراة إران مانيف ، أن تطبيق نبضة صغيرة واحدة من التيار الكهربائي على رقائق صغيرة من مغناطيس مغناطيسي مضاد تسبب في حدوث الدوران. تدوير و "تبديل" اتجاههم. نتيجة لذلك ، يمكن ضبط خصائص المادة بسرعة ودقة شديدة. قال مانيف: "إن فهم الفيزياء الكامنة وراء ذلك يتطلب المزيد من الملاحظات التجريبية وبعض النمذجة النظرية". يمكن أن تساعد المواد الجديدة في الكشف عن كيفية عملها. هذه بداية مجال بحث جديد ".
الآن ، يعمل الباحثون على تحديد الآلية الدقيقة التي تحرك هذا التحول في المواد المصنعة والمميزة في Molecular Foundry ، وهي منشأة مستخدم في Berkeley Lab. النتائج الأخيرة، نشرت في علم السلف و فيزياء الطبيعة, تشير إلى أن الضبط الدقيق للعيوب في مادة ذات طبقات يمكن أن يوفر وسيلة موثوقة للتحكم في نمط الدوران في منصات الأجهزة الجديدة. قال مور ، رئيس NPQC: "هذا مثال رائع على أن وجود العديد من العيوب يتيح لنا تثبيت بنية مغناطيسية قابلة للتحويل".
غزل خيوط جديدة
في العام المقبل من التشغيل ، ستبني NPQC على التقدم المحرز هذا العام. تتضمن الأهداف استكشاف كيفية تفاعل العيوب المتعددة في المواد ثنائية الأبعاد والتحقيق في أنواع جديدة من الهياكل أحادية البعد التي يمكن أن تنشأ. يمكن لهذه الهياكل ذات الأبعاد المنخفضة أن تثبت نفسها كمستشعرات لاكتشاف الخصائص الأصغر حجمًا للمواد الأخرى. بالإضافة إلى ذلك ، فإن التركيز على كيفية تعامل التيارات الكهربائية مع الخصائص المغناطيسية المشتقة من الدوران سيربط بشكل مباشر العلوم الأساسية بالتقنيات التطبيقية.
يتطلب التقدم السريع في هذه المهام مزيجًا من التقنيات والخبرة التي لا يمكن إنشاؤها إلا ضمن إطار تعاوني كبير. قال هولت: "أنت لا تطور قدراتك بمعزل عن الآخرين". "يوفر NPQC بيئة بحث ديناميكية تدفع العلم وتسخير ما يفعله كل مختبر أو منشأة." وفي الوقت نفسه ، يوفر مركز الأبحاث تعليمًا فريدًا على حدود العلوم بما في ذلك فرص تطوير القوى العاملة العلمية التي ستقود صناعة الكم في المستقبل.
يجلب NPQC مجموعة جديدة من الأسئلة والأهداف لدراسة الفيزياء الأساسية للمواد الكمومية. قال مور ، "ميكانيكا الكم تحكم سلوك الإلكترونات في المواد الصلبة ، وهذا السلوك هو الأساس لكثير من التكنولوجيا الحديثة التي نأخذها كأمر مسلم به. لكننا الآن في بداية الثورة الكمومية الثانية ، حيث تحتل خصائص مثل التماسك مركز الصدارة ، ويفتح فهم كيفية تعزيز هذه الخصائص مجموعة جديدة من الأسئلة حول المواد لكي نجيب عليها ".
المرجع: "الديناميكا المائية الناشئة في مجموعة دوران ثنائية القطب شديدة التفاعل" بقلم C. Zu و F. Machado و B. Ye و S. Choi و B. Kobrin و T. Mittiga و S. Hsieh و P. Bhattacharyya و M. Markham ، تويتشين ، أ.جارمولا ، دي.بودكر ، سي آر لومان ، جي إي مور ونيويورك ياو ، 1 سبتمبر 2021 ، الطبيعة.
DOI: 10.1038/s41586-021-03763-1
