Ingrid Fadelli , Phys.org

Sadie Harley tərəfindən redaktə edilmiş , Robert Eqan tərəfindən nəzərdən keçirilmişdir

 Redaktorların qeydləriÜstdə, Er ³⁺ qüsur fırlanması (qırmızı) antenaya tutumlu birləşmiş superkeçirici elementli rezonatorun induktoruna (sarı) bağlıdır. Kredit: Təbiət Fizikası (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-03049-7

Kvant kompüterləri, kvant mexaniki təsirlərdən istifadə edərək informasiyanı emal edən sistemlər bəzi tapşırıqlarda klassik sistemləri üstələmək potensialına malikdir. Klassik kompüterlər kimi informasiyanı bit kimi saxlamaq əvəzinə, onlar qubit adlanan məlumat vahidlərinə, eyni zamanda 0 və 1 superpozisiyalarında mövcud ola bilən məlumat vahidlərinə etibar edirlər.

^{Paris-Saclay Universiteti, Çin Honq-Konq Universiteti və digər institutların tədqiqatçıları volfram-183 ( 183} Vt) atomlarındakı nüvələrin daxili bucaq momentumundan (yəni spinindən) qubit kimi istifadə edən yeni kvant hesablama platforması hazırlayıblar .

Nature Physics- də dərc olunan məqalədə təqdim edilən onların təklif etdiyi sistemin uzun ardıcıllıq müddətlərinə nail olduğu və mövcud superkeçirici əsaslı kvant məlumat emal platformalarına uyğun olduğu aşkar edilmişdir.

“Onilliklər ərzində maqnit rezonansı – NMR və ESR – fizika, kimya və biologiyanın əsas atributudur” dedi məqalənin baş müəllifi Emmanuel Flurin Phys.org-a.

“Bu, həm də əsas kvant hesablama protokollarını nümayiş etdirmək üçün istifadə edilən ilk platformalardan biri idi. Bununla belə, ənənəvi formada o, mahiyyət etibarilə makroskopikdir: siqnallar o qədər zəifdir ki, sadəcə nəyisə aşkar etmək üçün adətən 10¹⁵ atom və ya daha çox sıralı ansambllara ehtiyac var.”

Tədqiqatlarının bir hissəsi olaraq, Flurin və onun həmkarları maqnit rezonansa əsaslanan kvant hesablama platformalarının həssaslığını tək atom səviyyəsinə qədər fiziki prosesləri müşahidə etmək üçün təkmilləşdirməyə, eyni zamanda onların kvant uyğunluğunu qorumağa başladılar. Buna nail olmaq üçün onlar maqnit rezonansı elektromaqnit siqnallarına yüksək dərəcədə cavab verən superkeçirici materiallarla birləşdirdilər.

“Məqalənin əsas məqsədi bu birləşmənin maqnit rezonansının kvant versiyasını effektiv şəkildə reallaşdırdığını göstərmək idi” dedi Flurin.

“Xüsusilə, biz mikrodalğalı kvant texnologiyalarına uyğun çip miqyaslı cihazda bir neçə saniyəlik ardıcıllıq müddəti ilə bərk cisimdə fərdi nüvə spinlərini aşkarlaya, idarə edə və birləşdirə bilərik .”

Hibrid nüvə-elektron spin platforması

Bu tədqiqatçılar qrupu tərəfindən təqdim edilən kvant məlumat emalı sistemi, superkeçirici sxemlərdən istifadə etməklə qurulmuş maqnit rezonans spektrometrinin ultra həssas və kvant mexanikasına əsaslanan versiyası kimi görünə bilər. Sistemin güvəndiyi kubitlər kalsium volfram CaWO _{4 kristalında} ¹⁸³ Vt atomdan ibarət nüvə sancaqlarıdır .

“Bu nüvələrin hər biri qoşalaşmamış elektron spini daşıyan nadir torpaq ionuna, Er ³⁺ -a yaxındır ” deyə Flurin izah etdi. “Elektron spinini manipulyasiya etmək və aşkar etmək nüvə spinindən daha asandır, buna görə də nüvə spini üçün köməkçi və ya gücləndirici rolunu oynayır.”

Tədqiqatçılar CaWO ₄ kristalını superkeçirici mikrodalğalı rezonatorun, mikrodalğalı fotonları (yəni, işıq hissəcikləri) saxlayan və kvant vəziyyətlərini idarə etmək üçün istifadə edilə bilən cihazın üstünə qoydular. Bu rezonator əvvəllər çip üzərində naxışlı istiqamət idi. Komanda daha sonra bütün cihazı seyreltmə deyilən soyuducuya yerləşdirdi və bir neçə millikelvinə qədər soyudu.

“Rezonator, çox həssas mikrodalğalı detektorla birləşərək, quraşdırmanı kifayət qədər həssas edir ki, tək bir elektron spininin kiçik maqnit siqnalı və onun vasitəsilə bir nüvə spininin ölçülə bilən olur” dedi Flurin.

“Əhəmiyyətli cəhət ondan ibarətdir ki, bizim metodumuz yalnız spinlərin maqnit rezonans xüsusiyyətlərinə əsaslanır. Biz heç bir əlavə optik keçid (NV mərkəzlərində olduğu kimi) və ya xüsusi elektrik xassələri (yarımkeçirici donorlarda olduğu kimi) tələb etmirik. Bu o deməkdir ki, prinsipcə, NMR və ESR-də onilliklər ərzində hazırlanmış bütün növlər və texnikalar birbaşa bu platformaya idxal edilə bilər.”

Komandanın yeni təqdim etdiyi kvant hesablama platforması əvvəllər təqdim edilmiş maqnit rezonansa əsaslanan sistemlərlə müqayisədə bir sıra üstünlüklərə malikdir. Ən diqqətəlayiq haldır ki, tədqiqatçılar öz sistemlərinin maqnit rezonansına həssaslığını tək nüvə spinləri səviyyəsinə qədər bir çox miqyasda təkmilləşdirə bildilər.

“Biz saniyələr kimi çox uzun ardıcıllıq vaxtlarına nail olduq, çünki qubitlər nüvə spinləridir” dedi Flurin. “Biz həmçinin xüsusi optik və ya elektrik fəndlərinə güvənməyən ümumi və uyğunlaşa bilən üsul hazırladıq. Xüsusilə, bizim tam mikrodalğalı, çip əsaslı arxitekturamız təbii olaraq mövcud superkeçirici kvant prosessorları ilə uyğun gəlir.”

Gündəlik anlayışlar üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosda ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz xəbər bülleteni üçün qeydiyyatdan keçin və mühüm nailiyyətlər, yeniliklər və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniləmələr əldə edin .

Komandanın sisteminin ilkin qiymətləndirilməsi

Təklif etdikləri platformanın potensialını qiymətləndirmək üçün tədqiqatçılar prototip sistemi həyata keçirdilər və sistemlərində iki fərdi nüvə spininin uyğunluğunu xarakterizə etdilər.

Nəhayət, onlar yüksək dəqiqlik və tək vuruşlu oxuma nümayiş etdirdilər, eyni zamanda iki nüvə spinləri arasında mikrodalğalı tək və iki kubitlik qapıları tətbiq etdilər.

“Birincisi, biz onu göstəririk ki, NMR/ESR-ni bərk vəziyyətdə olan bir cihazda tək fırlanma səviyyəsində effektiv şəkildə edə bilərik” dedi Flurin. “Biz bir neçə saniyəlik ardıcıllıq müddəti ilə fərdi nüvə spin kubitlərini nümayiş etdiririk ki, bu da NMR-nin qeyri-adi sabitliyini tam mikroskopik, tək kubitlik rejimə gətirir.”

Flurin və onun həmkarları öz məqalələrində yüksək həssas və qeyri-invaziv (yəni sistemi pozmayan) yeni oxuma texnikasını da təqdim etdilər. Er ³⁺ atomlarında elektronların spinini superkeçirici rezonatora birləşdirərək və kvantla məhdud mikrodalğalı detektordan istifadə edərək, onlar hər bir nüvə spininin tək atışlı, kvant dağıdıcı olmayan ölçmələrini həyata keçirə bildilər.

“Bu oxunuş sırf maqnit olduğundan, o, optik flüoresan və ya nəqliyyat ölçmələrinə əsaslanmadan, prinsipcə, geniş spektrli spin növlərinə tətbiq olunur” dedi Flurin.

“Biz həmçinin göstərdik ki, bu platforma kvant hesablamaları üçün adi tələblərə cavab verir. Yalnız mikrodalğalı siqnallardan istifadə edərək, biz nüvə spinləri arasında tək və iki kubitlik qapıları həyata keçiririk və koherentliyi bir saniyədən çox olan uzunömürlü Bell vəziyyəti yaradırıq.”

Bu son tədqiqatın nəticələri nüvə spinlərinə əsaslanan kvant məlumat emal platformalarının potensialını daha da vurğulayır. Tədqiqatçılar bərk cisimdə atomların nüvə spinlərindən tam hüquqlu kubitlər kimi istifadə edə bildilər ki, bu da böyük ansambllara və psevdo-saf vəziyyətlərə əsaslanan NMR ilə əlaqəli kvant hesablama təcrübələrində əldə edilməmişdir.

Gələcək tətbiqlər və tədqiqat istiqamətləri

Bu yaxınlarda aparılan tədqiqat kvant texnologiyalarının, o cümlədən kvant hesablama sistemlərinin və sensor cihazlarının inkişafı üçün tezliklə yeni imkanlar aça bilər.

“Bir tərəfdən, gələcək tədqiqatlar zondlama və spektroskopiya marşrutunu araşdıra bilər, burada bu cihaz bir növ kvant maqnit rezonans mikroskopuna çevrilir, prinsipcə fərdi molekulları araşdırmaq və onların strukturunu çox yüksək spektral ayırdetmə ilə həll etmək qabiliyyətinə malikdir” dedi Flurin.

“Böyük ansambllar əvəzinə fərdi fırlanmalara baxdığımız zaman, bir çox bir qədər fərqli mühitlərin birlikdə orta hesabla qiymətləndirilməsi zamanı baş verən “bulanıqlaşma” ilə məhdudlaşmırıq. Digər tərəfdən, biz kvant hesablama marşrutunu izləyirik.”

Tədqiqatçılar göstərdilər ki, uzun ömürlü nüvə spinləri çip əsaslı kvant hesablama arxitekturalarında yüksək sabit kubitlər ola bilər. Davam edən tədqiqatlarının bir hissəsi olaraq onlar kvant məlumatlarını saxlaya bilən bir neçə kiçik nüvə klasterindən ibarət arxitektura üzərində işləyirlər. Bu klasterlərin hər biri tək bir elektron spin ancillasına bağlıdır.

“Bu köməkçi həm yerli nüvə klasterinin birdəfəlik oxunmasını təmin edir, həm də mikrodalğalı fotonların mübadiləsi ilə qonşu klasterlər arasında əlaqə rolunu oynayır” dedi Flurin. “Bizim burada nümayiş etdirdiyimiz belə bir klasterin elementar işləməsidir: ardıcıl idarəetmə, ikinci uzun dolaşıqlıq və kiçik nüvə spinlərinin yüksək dəqiqliklə oxunması.”

Növbəti araşdırmalarında Flurin və həmkarları bu yaxınlarda təqdim edilmiş platformasında qurulan kvant zondlama və hesablama sistemlərinin inkişafı istiqamətində əlavə addımlar atmağı planlaşdırırlar. Hiss etmə kontekstində onların ümidləri fərdi molekulları və daha mürəkkəb sistemləri araşdırmaq üçün sistemlərindən uğurla istifadə etməkdir.

Flurin izah etdi: “Tək fırlanma səviyyəsində, ansamblın orta və qeyri-bərabər genişlənməsinin incə detalları yumağa meylli olduğu adi NMR-dən fərqli olaraq, prinsipcə daha kəskin spektral xüsusiyyətlərə çıxış əldə etmək olar”. “Bu, kvantla məhdud rezolyusiyaya malik tək molekullu maqnit rezonans spektroskopiyasının bir formasını təmin edə bilər.”

Komandanın gələcək tədqiqatlarının ikinci məqsədi onların dizaynından istifadə edən getdikcə təkmilləşmiş kvant hesablama sistemlərini inkişaf etdirmək olacaq. Bunu etmək üçün sistemlərində idarə olunan spinlərin sayını davamlı olaraq artırmağa və qapıların etibarlılığını artırmağa çalışacaqlar.

“İkinci diapazonda uyğunluq vaxtları və millisaniyə diapazonunda qapı vaxtları ilə cihazın dizaynını və idarəetmə protokollarını optimallaşdırmaq və nüvə spin registrlərindən istifadə edərək kiçik kvant alqoritmlərini və ya sadə səhvləri düzəltmək kodlarını tətbiq etməyə başlamaq üçün çox yer var” dedi Flurin.

Əhəmiyyətli odur ki, tədqiqatçılar tərəfindən təqdim olunan platforma yalnız maqnit rezonansı ilə idarə olunur və materialların xüsusi optik və ya elektrik xüsusiyyətlərinə etibar etmir.

Flurin və onun həmkarları nəhayət öz sisteminin reallaşdırılması üçün digər növ spinlərin və materialların potensialını da araşdırmağı planlaşdırırlar. Bundan əlavə, onlar nüvə spin kubitlərindən daha böyük superkeçirici dövrə arxitekturalarında uzunömürlü xatirələr və ya qeydlər kimi istifadə etməyə çalışacaqlar.

“Bizim üçün vacib konseptual məqam ondan ibarətdir ki, bu platformada kvant hesablama və kvant zondlama arasında güclü sinerji var”, – Flurin əlavə edib.

“Mütərəqqi bir maqnit rezonans təcrübəsini kvant dövrəsi kimi nəzərdən keçirmək olar: hər bir impuls ardıcıllığı kvant qapılarının ardıcıllığına uyğundur və ölçülmüş spektr molekul haqqında struktur məlumatları kodlayan kvant alqoritminin çıxışıdır. Bizim yanaşmamız bu əlaqəni tək fırlanma səviyyəsində aydın edir.

“Bu o deməkdir ki, kvant hesablamasında irəliləyişlər, məsələn, optimal nəzarət və ya səhvlərin azaldılması – yeni nəsil molekulyar spektroskopiyaya birbaşa fayda verə bilər və əksinə, çox zəngin NMR və ESR alətlər qutusu kvant məlumatlarının emalının yeni üsullarını ruhlandıra bilər.”

Müəllifimiz İnqrid Fadelli tərəfindən sizin üçün yazılmış, Sadie Harley tərəfindən redaktə edilmiş və Robert Eqan tərəfindən yoxlanılmış və nəzərdən keçirilmiş bu məqalə diqqətli insan əməyinin nəticəsidir. Müstəqil elmi jurnalistikanı yaşatmaq üçün sizin kimi oxuculara güvənirik. Bu hesabat sizin üçün əhəmiyyət kəsb edirsə, lütfən, ianə (xüsusilə aylıq) nəzərdən keçirin. Siz təşəkkür olaraq reklamsız hesab əldə edəcəksiniz .

Daha çox məlumat: James O’Sullivan et al, Saniyədən çox koherentliyə malik fərdi bərk dövlət nüvə spin kubitləri, Təbiət Fizikası (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-03049-7 . ArXiv- də : DOI: 10.48550/arxiv.2410.10432

Jurnal məlumatı: Nature Physics , arXiv  

© 2025 Science X Network