یکی از گزینه های اصلی رایانش کوانتومی بی خطا رفتاری گیج کننده نشان می دهد
به گزارش سفر به آنتالیا، رفتار گیج نماینده که یکی از گزینه های اصلی رایانش کوانتومی بدون خطا از خود نشان می دهد، فیزیکدانان را وادار می نماید که در اَبَررسانایی اسپین سه گانه بازنگری نمایند.
یک مطالعه تازه به سرپرستی دانشگاه رایس آمریکا، فیزیکدانان را وادار می نماید تا درباره ابررسانایی در اورانیوم دی تلورید (Uranium Ditelluride) ماده ای که در لیست اصلی (List-A) رقابت جهانی برای ایجاد رایانه های کوانتومی مقاوم به خطا است، تنو نظر نمایند.
اعتقاد بر این است که کریستال های اورانیوم دی تلورید میزبان شکل نادری از ابررسانایی اسپین سه گانه (Spin-Triplet) هستند اما نتایج این آزمایش گیج نماینده که این هفته در نشریه نیچر (Nature) منتشر شد، شرح اصلی درباره چگونگی شکل گیری حالت ماده در این ترکیب را تغییر داده است.
انجام آزمایش های پراکندگی نوترون به وسیله فیزیکدانان دانشگاه رایس، آزمایشگاه ملی اوک ریج، دانشگاه کالیفرنیا، دانشگاه سن دیگو و آزمایشگاه ملی میدان مغناطیسی بالا در دانشگاه ایالتی فلوریدا، نشانه های آشکاری از نوسانات اسپین پادفرومغناطیسی را نشان داد که با ابررسانایی در اورانیوم دی تلورید همراه است.
ابررسانایی اسپین سه گانه، در یک ماده حالت جامد مشاهده نشده است، اما فیزیکدانان برای مدت ها گمان می نمایند که این اَبَررسانایی از حالت منظم فرومغناطیسی ناشی می گردد. رقابت برای یافتن مواد اسپین سه گانه در سال های اخیر به علت پتانسیل آن ها برای میزبانی از شبه ذرات گریزان، به نام فرمیون های مایورانا (Majorana) که می توانند برای ساخت رایانه های کوانتومی بی خطا استفاده شوند، افزایش چشمگیری یافته است.
پنگ چنگ دای (Pengcheng Dai) یکی از نویسندگان این مطالعه، درباره فرمیون های مایورانا، شبه ذرات فرضی که می توانند برای ساخت بیت های کوانتومی توپولوژیکی بدون ناهمدوسی مشکل ساز کیوبیت ها در رایانه های کوانتومی امروزی استفاده شوند، گفت: تا کنون میلیاردها دلار برای جست وجوی آن ها هزینه شده است.
دای، استاد فیزیک و نجوم و عضو برنامه کوانتوم رایس گفت: وقتی یک ابررسانای اسپین سه گانه در اختیار داریم، باید بتوان از آن برای ساخت کیوبیت های توپولوژیکی استفاده کرد. اما با ابررساناهای تک اسپین نمی توان این کار را انجام داد. به همین علت است که اغلب مردم به شدت به این موضوع علاقه دارند.
ابررسانایی زمانی روی می دهد که الکترون ها جفت تشکیل می دهند و مانند زوج هایی که در یک زمین پایکوبی می چرخند، به صورت یک واحد حرکت می نمایند. الکترون ها به طور طبیعی، با توجه به بار الکتریکی یکسان، از یکدیگر گریزانند اما بر این تمایل آن ها به اجتناب از الکترون های دیگر، می توان با تمایل ذاتی آن ها برای حضور در سطح انرژی کمتر غلبه کرد. اگر جفت شدن به الکترون ها امکان بدهد تا به حالتی با انرژی پایین تر دست یابند، چیزی که فقط در دماهای بسیار سرد امکان پذیر است، می توان آن ها را جفت کرد.
این اثرپذیری به صورت نواسانات در محیط فیزیکی آن ها ایجاد می گردد. در ابررساناهای معمولی، مانند سرب، نوسانات در اصل ارتعاشات در شبکه اتمی اتم های سرب داخل سیم ابررسانا هستند. فیزیکدانان هنوز نتوانسته اند نوساناتی را که باعث ابررسانایی غیرمتعارف در موادی مانند اورانیوم دی تلورید می گردد، شناسایی نمایند. اما دهه ها مطالعه، گذار فاز (لحظات کلیدی که الکترون ها به طور خودبه خودی خود را بازآرایی می نمایند) را در نقاط بحرانی پیدا نموده است که جفت شدن الکترون ها، شروع می گردد.
در معادلات مکانیک کوانتومی، این ترتیب های منظم خودبه خودی با عبارت پارامتر ترتیب نشان داده می شوند. نام اسپین سه گانه به شکست خودبه خودی سه تقارن در این ترتیبات منظم اشاره دارد. برای نمونه، الکترون ها به طور مداوم مانند آهنرباهای میله ای کوچک می چرخند. یک پارامتر ترتیب مربوط به محور چرخش آن ها (برای نمونه قطب شمال مغناطیسی) می گردد که به بالا یا پایین اشاره می نماید.
ترتیب یا چیدمان فرومغناطیسی زمانی است که همه اسپین ها در یک جهت قرار می گیرند و از سوی دیگر چیدمان پادفرومغناطیسی زمانی است که در یک آرایش بالا-پایین، بالا-پایین نوسان می نمایند. در تنها اسپین سه گانه تأیید شده، هلیوم-3 فوق سیال، پارامتر ترتیب کمتر از 18 جزء ندارد.
به گفته دای دو شرح ممکن است برای نتیجه آزمایش آن ها وجود داشته باشد؛ یا اورانیوم دی تلورید یک ابررسانای اسپین سه گانه نیست، یا ابررسانایی اسپین سه گانه به گونه ای از نوسانات اسپین پادفرومغناطیسی ناشی می گردد که فیزیکدانان پیش از این تصور نمی کردند. چندین دهه شواهد تجربی به احتمال دوم اشاره می نماید اما به نظر می رسد که این موضوع، دانسته های متعارف درباره ابررسانایی را نقض می نماید. بنابراین دای با همکاری کیمیائو سی (Qimiao Si) فیزیکدان نظری دانشگاه رایس و متخصص پدیده های کوانتوی نوظهور همکاری کرد.
سی یکی از نویسندگان این مطالعه، طی 5 سال گذشته زمان زیادی را صرف نشان دادن نظریه جفت شدن چنداوربیتالی که با همکاری امیلین نیکا (Emilian Nica) توسعه داده، نموده است. این نظریه یافته های تجربی متناقضی را در چندین نوع ابررسانای نامتعارف، ازجمله فرمیون های سنگین، دسته ای که شامل اورانیوم دی تلورید است، شرح می دهد.
در جفت شدن چنداوربیتالی، الکترون ها در بعضی از پوسته های اتمی بیشتر از دیگران جفت تشکیل می دهند. سی فکر می کرد که اورانیوم پتانسیل مشارکت الکترون های جفت شده از هر یک از هفت اوربیتال با 14 حالت ممکن را دارد.
او گفت: چنداوربیتال ها نخستین چیزی بود که به ذهنم رسید. اگر شما فقط یک باند یا یک اوربیتال (مدار) داشته باشید، این نتایج ممکن نیست اما وجود اوربیتال ها بُعد تازه ای به جفت ابررساناهای نامتعارف می دهن. آن ها مانند یک پالت رنگ هستند. رنگ ها اعداد کوانتومی داخلی هستند و الکترون های f موجود در مواد فرمیونی سنگین مبتنی بر اورانیوم، به طور طبیعی برای داشتن این رنگ ها تنظیم شده اند. آن ها به احتمالات نوی می انجامند که فراتر از جدول تناوبی حالت های جفت شدن است. یکی از این احتمالات نو اسپین سه گانه است.
سی و نیکا که اکنون در دانشگاه ایالتی آریزونا هستند، نشان دادند که همبستگی های پادفرومغناطیسی می تواند منجر به حالت های جفت شدن اسپین سه گانه و با انرژی پایین گردد. به گفته سی حالت های جفت شدن اسپین سه گانه در بیشتر موارد بسیار غیرممکن است، زیرا جفت ها برای کاهش انرژی خود به صورت تک اسپین ها درمی آیند. در اورانیوم دی تلورید، جفت شدن اسپین-مدار می تواند سطح انرژی را به گونه ای تغییر دهد که احتمال شکل گیری حالت های جفت اسپین-سه گانه را در برابر همتایان تک اسپین افزایش دهد.
عکس کاور: طرحی گرافیکی از آزمایش پراکندگی نوترون و برخورد این ذره زیراتمی به نمونه ای از یک اورانیوم دی تلورید ابررسانا
Credit: Jill Hemman/ORNL
منبع: SciTechDaily
منبع: دیجیکالا مگ