التشابك الكمي – الذي تم الاستهزاء به ذات يوم من قبل ألبرت أينشتاين باعتباره “عملًا مخيفًا عن بُعد” – قد أسر خيال الجمهور لفترة طويلة وأحبط حتى العلماء المخضرمين.
لكن بالنسبة لممارسي الكوانتم اليوم، فإن الواقع أكثر عادية: التشابك هو نوع من الاتصال بين الجسيمات، وهو الميزة الأساسية للحواسيب الكمية.
على الرغم من أن هذه الأجهزة لا تزال في مهدها، فإن التشابك هو ما سيسمح لها بأداء مهام لا تستطيع الحواسيب الكلاسيكية القيام بها، مثل محاكاة الأنظمة الكمية الطبيعية مثل الجزيئات، والأدوية، أو المحفزات بشكل أفضل.
في بحث جديد نُشر مؤخرًا في Science، أظهرت أنا وزملائي التشابك الكمي بين نواتين ذريتين تفصل بينهما حوالي 20 نانومتر.
قد لا يبدو هذا كثيرًا. لكن الطريقة التي استخدمناها هي اختراق عملي ومفاهيمي قد يساعد في بناء حواسيب كمية باستخدام واحدة من أكثر الأنظمة دقة وموثوقية لتخزين المعلومات الكمية.
التوازن بين التحكم والضوضاء
التحدي الذي يواجه مهندسي الحواسيب الكمية هو تحقيق توازن بين احتياجات متعارضة.
يجب حماية عناصر الحوسبة الهشة من التدخل الخارجي والضوضاء. ولكن في نفس الوقت، يجب أن تكون هناك طريقة للتفاعل معها لإجراء حسابات ذات مغزى.
لهذا السبب هناك العديد من أنواع الأجهزة المختلفة التي لا تزال في السباق لتكون أول حاسوب كمي يعمل.
بعض الأنواع جيدة جدًا في أداء العمليات السريعة، لكنها تعاني من الضوضاء. بينما الأنواع الأخرى محمية جيدًا من الضوضاء، لكنها صعبة التشغيل والتوسع.
جعل النواتين الذريتين تتحدثان مع بعضها
لقد كانت فريقي يعمل على منصة – حتى وقت قريب – يمكن أن تُصنف في المجموعة الثانية. لقد زرعنا ذرات الفوسفور في شرائح السيليكون، واستخدمنا دوران نوى الذرات لتشفير المعلومات الكمية.
لبناء حاسوب كمي مفيد، سنحتاج إلى العمل مع العديد من النوى الذرية في نفس الوقت. لكن حتى الآن، كانت الطريقة الوحيدة للعمل مع عدة نوى ذرية هي وضعها قريبًا جدًا من بعضها داخل مادة صلبة، حيث يمكن أن تحيط بها إلكترون واحد.
عادة ما نفكر في الإلكترون كونه أصغر بكثير من نواة الذرة. ومع ذلك، تخبرنا الفيزياء الكمية أنه يمكن أن “ينتشر” في الفضاء، بحيث يمكنه التفاعل مع عدة نوى ذرية في نفس الوقت.
ومع ذلك، فإن النطاق الذي يمكن أن ينتشر فيه إلكترون واحد محدود للغاية. علاوة على ذلك، فإن إضافة المزيد من النوى إلى نفس الإلكترون يجعل من الصعب جدًا التحكم في كل نواة على حدة.
“هواتف” إلكترونية لتشابك النوى البعيدة
يمكننا القول إنه حتى الآن، كانت النوى مثل الأشخاص الموجودين في غرف عازلة للصوت. يمكنهم التحدث مع بعضهم طالما أنهم جميعًا في نفس الغرفة، وتكون المحادثات واضحة جدًا.
لكنهم لا يستطيعون سماع أي شيء من الخارج، وهناك عدد محدود من الأشخاص الذين يمكن أن يتواجدوا داخل الغرفة. لذلك، لا يمكن توسيع هذا النوع من المحادثات.
في عملنا الجديد، كأنه أعطينا الأشخاص هواتف للتواصل مع غرف أخرى. لا تزال كل غرفة هادئة من الداخل، لكن الآن يمكننا إجراء محادثات بين عدد أكبر من الأشخاص، حتى لو كانوا بعيدين.
“الهاتف” هو الإلكترون. من خلال قدرته على الانتشار في الفضاء، يمكن لإلكترونين “لمس” بعضهما البعض على مسافة معينة.
وإذا كان كل إلكترون مرتبطًا مباشرة بنواة ذرية، يمكن للنوى التواصل عبر التفاعل بين الإلكترونات.
استخدمنا قناة الإلكترون لإنشاء تشابك كمي بين النوى من خلال طريقة تسمى “البوابة الهندسية”، التي استخدمناها قبل بضع سنوات لإجراء عمليات كوانتية دقيقة مع الذرات في السيليكون.
الآن – للمرة الأولى في السيليكون – أظهرنا أن هذه الطريقة يمكن أن تتوسع لتشمل أكثر من أزواج النوى المرتبطة بنفس الإلكترون.
التوافق مع الدوائر المتكاملة
في تجربتنا، كانت نوى الفوسفور مفصولة بمقدار 20 نانومتر. إذا كان هذا يبدو كمسافة صغيرة، فإنه كذلك: هناك أقل من 40 ذرة سيليكون بين نواتين الفوسفور.
لكن هذا هو أيضًا النطاق الذي يتم فيه تصنيع الترانزستورات السيليكون اليومية. يعني إنشاء تشابك كمي على مقياس 20 نانومتر أننا يمكن أن ندمج كويبتات دوران النواة المحمية جيدًا وطويلة العمر في الهيكل الحالي للشرائح السيليكونية القياسية مثل تلك الموجودة في هواتفنا وأجهزة الكمبيوتر.
في المستقبل، نتخيل دفع مسافة التشابك إلى أبعد من ذلك، لأن الإلكترونات يمكن أن تُنقل فعليًا، أو تُضغط في أشكال أكثر استطالة.
يعني اختراقنا الأخير أن التقدم في الأجهزة الكمية المعتمدة على الإلكترون يمكن أن يُطبق على بناء حواسيب كمية تستخدم دورانات النواة طويلة العمر لأداء حسابات موثوقة.
