جهش در محاسبات و رایانه‌های کوانتومی؛ ماده شگفت در گرافن کشف شد_آینده

کار آن‌ها، که در مجله Nature انتشار شده، کشف تاثییر هال کوانتومی غیرعادی کسری را در یک ساختار گرافن پنج‌لایه توصیف می‌کند، حالتی نادر از ماده که بدون میدان مغناطیسی خارجی رخ می‌دهد. این یک پیشرفت قابل‌دقت است چون پیش‌بینی‌های نظری را قبول می‌کند و راه‌های جدیدی برای کاربردهای فناوری کوانتومی باز می‌کند.

جزئیات علمی

گرافن لایه‌ای تک‌اتمی از اتم‌های کربن است که در یک شبکه لانه‌زنبوری چیده شده‌اند و به علت خواص الکتریکی قابل‌توجهش شناخته شده است. در این مطالعه، استاد لو و تیمش پنج لایه گرافن را به‌طوری خاص، همانند به پله‌های یک راه‌پله، روی هم قرار دادند تا شرایط ملزوم برای تاثییر هال کوانتومی غیرعادی کسری را تشکیل کنند.

لو او گفت: بار کسری زیاد شگفت است، و اکنون ما می‌توانیم این تاثییر را با سیستمی زیاد ساده‌تر و بدون میدان مغناطیسی محقق کنیم. این به‌خودی‌خود برای فیزیک بنیادی مهم است. طبق معمولً تاثییر هال کوانتومی کسری، که در آن الکترون‌ها به کسرهایی از بار خود تقسیم خواهد شد، به میدان‌های مغناطیسی قوی نیاز دارد، همانند میدان‌هایی ۱۰ برابر نیرومندتر از دستگاه MRI. بااین‌حال، نسخه غیرعادی مشاهده‌شده در اینجا به‌صورت خودبه‌خود در ساختار گرافن رخ می‌دهد و آن را به بستری عملی‌تر برای کاربردهای محاسبات کوانتومی تبدیل می‌کند. عدم نیاز به میدان مغناطیسی سیستم را ساده‌تر می‌کند و پتانسیل آن را برای ساخت رایانه‌های کوانتومی مقاوم و تحمل‌پذیر در برابر اشتباه افزایش می‌دهد.

پیامدها و آینده

این کشف می‌تواند راه را برای محاسبات کوانتومی توپولوژیک هموار کند، نوعی از محاسبات کوانتومی مقاوم‌تر که از بارهای کسری به‌گفتن کیوبیت‌ها، واحدهای اساسی رایانه‌های کوانتومی، منفعت گیری می‌کند.

برخلاف محاسبات کوانتومی سنتی، محاسبات کوانتومی توپولوژیک کمتر در معرض نویز محیطی قرار دارد که می‌تواند محاسبات را مختل کند. لو او گفت: این گرافن پنج‌لایه سیستمی است که شگفتی‌های بسیاری در آن رخ می‌دهد.

یافته‌های این تیم بر پایه اکتشافات تازه در گرافن، از جمله اکتشافات دانشگاه واشنگتن، بنا شده و اولین قبول تاثییر هال کوانتومی غیرعادی کسری در گرافن بلوری را مشخص می کند. تیم لو اکنون در حال کاوش راه‌هایی برای جفت‌سازی این بارهای کسری با ابررسانایی است تا حالت‌های شگفت‌تری همانند آنیون‌ها تشکیل کند، که می‌توانند به‌گفتن کیوبیت‌های زیاد پایدار برای رایانه‌های کوانتومی آینده عمل کنند.