ابداع مواد مغناطیسی جدید برای توسعه رایانش کوانتومی

فیزیکدانان مواد مغناطیسی جدیدی را برای آزادسازی پتانسیل رایانش کوانتومی ایجاد می‌کنند.

کد خبر: ۶۵۵۷۷۶

تاریخ: ۲۸ شهريور ۱۴۰۲ - ۱۶:۵۴

به گزارش ایران اکونومیست و به نقل از اس‌ای، رفتار کوانتومی یک چیز عجیب و شکننده است که در لبه‌ی واقعیت، میان دنیای امکان و جهان مطلق معلق است. در این فضای مه‌آلود ریاضیاتی، پتانسیل رایانش کوانتومی نهفته است که توسعه دستگاه‌هایی را نوید می‌دهد که می‌توانند الگوریتم‌هایی را که پردازش آنها توسط رایانه‌های کلاسیک بیش از حد طول می‌کشد، به سرعت پردازش کنند.

در حال حاضر، رایانه‌های کوانتومی در اتاق‌های خنک نزدیک به دمای صفر مطلق(منفی ۲۷۳ درجه سانتی‌گراد) مستقر می‌شوند، چرا که در آن، ذرات به ندرت از حالت‌های کوانتومی بحرانی خود خارج می‌شوند.

شکستن مانع دما برای توسعه موادی که خواص کوانتومی در دمای اتاق از خود نشان می‌دهند، مدت‌هاست که هدف رایانش کوانتومی است. اگرچه دماهای پایین به حفظ خواص ذرات کمک می‌کنند، اما حجم زیاد و هزینه تجهیزات، پتانسیل و توانایی آنها را برای افزایش مقیاس و استفاده عمومی محدود می‌کند.

اکنون در یکی از جدیدترین تلاش‌ها، گروهی از پژوهشگران دانشگاه تگزاس ال پاسو، یک ماده رایانش کوانتومی بسیار مغناطیسی ساخته‌اند که مغناطیس خود را در دمای اتاق حفظ می‌کند و حاوی مواد معدنی کمیاب خاکی با تقاضای بالا نیز نیست.

احمد الجندی، نویسنده ارشد و فیزیکدان دانشگاه تگزاس ال پاسو می‌گوید: من واقعاً به مغناطیسی بودن آن شک داشتم، اما نتایج ما به وضوح رفتار ابرپارامغناطیس را نشان می‌دهد.

ابرپارامغناطیس(Superparamagnetism) یک شکل قابل کنترل از مغناطیس است که به موجب آن اعمال یک میدان مغناطیسی خارجی، گشتاورهای مغناطیسی یک ماده را تراز و آن را مغناطیسی می‌کند.

خاصیت پارامغناطیس خاصیتی است که در آن ماده، پذیرفتاری مغناطیسی مثبت اما کم دارد و در نتیجه الکترون‌های جفت نشده باعث تشدید میدان مغناطیسی در محیط دور و اطراف می‌گردند.

پارامغناطیس شکلی از خاصیت مغناطیسی مواد است که به واسطه آن برخی از مواد به وسیله میدان خارجی اعمال شده جذب می‌شوند. مواد پارامغناطیس شامل بیشتر عناصر شیمیایی و برخی از ترکیبات می‌شوند. آنها تراوایی مغناطیسی نسبی بزرگ‌تر یا مساوی با یک دارند و از همین رو توسط میدان مغناطیسی جذب می‌شوند. این مواد که به مقدار اندکی توسط یک میدان مغناطیسی جذب می‌شوند، پس از قطع میدان، حالت مغناطیسی خود را حفظ نمی‌کنند، زیرا با قطع میدان حرکت گرمایی موجب جهت‌گیری تصادفی اسپین‌ها می‌شود.

ویژگی‌های پارامغناطیس به دلیل وجود برخی از الکترون‌های جفت نشده و آرایش جدید مسیرهای الکترونی است که به دلیل میدان مغناطیسی خارجی به وجود می‌آیند.

آهنرباهای مولکولی مانند مواد توسعه یافته توسط الجندی و همکارانش به عنوان یکی از گزینه‌های ایجاد کیوبیت که واحد اصلی اطلاعات کوانتومی است، به میدان آمده‌اند.

آهنرباها در رایانه‌های فعلی ما نیز استفاده می‌شوند و در راس اسپینترونیک -دستگاه‌هایی که از جهت اسپین الکترون علاوه بر بار الکترونیکی آن برای رمزگذاری داده‌ها استفاده می‌کنند- قرار دارند.

رایانه‌های کوانتومی با مواد مغناطیسی که باعث ایجاد کیوبیت‌های اسپینی -جفت‌هایی از ذرات مانند الکترون‌ها که اسپین‌های جهت‌شان، هرچند لحظه‌ای، در سطح کوانتومی به هم مرتبط هستند- می‌شوند، می‌توانند در جایگاه بعدی قرار گیرند.

الجندی و همکارانش با آگاهی از تقاضا برای مواد معدنی کمیاب خاکی که در باتری‌ها استفاده می‌شوند، مخلوطی از مواد شناخته شده آمینوفروسن(aminoferrocene) و گرافن را آزمایش کردند.

تنها زمانی که پژوهشگران به جای افزودن همه اجزای مرکب به یک‌باره، مواد را در یک دنباله از مراحل ترکیب کردند، ماده، مغناطیسی بودن خود را در دمای اتاق نشان داد.

پژوهشگران ترکیب متوالی آمینوفروسن را بین دو ورقه اکسید گرافن قرار دادند و ماده‌ای ۱۰۰ برابر مغناطیسی‌تر از آهن خالص تولید کردند. سپس آزمایش‌های بیشتر تأیید کرد که این ماده خواص مغناطیسی خود را در دمای اتاق و بالاتر از آن نیز حفظ می‌کند.

الجندی و همکارانش در مقاله منتشر شده خود می‌نویسند: این یافته‌ها مسیرهای تازه‌ای را برای آهنرباهای مولکولی مرتبه دوربرد در دمای اتاق و پتانسیل آنها برای رایانش کوانتومی و کاربردهای ذخیره‌سازی داده باز می‌کند.

البته آزمایش‌های بیشتری روی این ماده جدید مورد نیاز است تا ببینیم آیا این نتایج در گروه‌های دیگر تکرار می‌شود یا خیر. اما پیشرفت در این زمینه از آهنرباهای مولکولی دلگرم کننده است و گزینه امیدوارکننده دیگری برای ایجاد کیوبیت‌های پایدار ارائه می‌دهد.

در سال ۲۰۱۹، یوجینو کورونادو دانشمند مواد در دانشگاه والنسیا در اسپانیا نوشت: نقاط عطف به دست آمده در طراحی کیوبیت‌های اسپین مولکولی با زمان انسجام کوانتومی طولانی و در اجرای عملیات کوانتومی، انتظارات را برای استفاده از کیوبیت‌های اسپین مولکولی در رایانش کوانتومی افزایش داده است.

ضمن اینکه در سال ۲۰۲۱، پژوهشگران یک ماده مغناطیسی بسیار نازک با ضخامت یک اتم را توسعه دادند که نه تنها می‌توان شدت مغناطیسی آن را برای اهداف رایانش کوانتومی تنظیم کرد، بلکه در دمای اتاق نیز کار می‌کند.

این مطالعه جدید در مجله Applied Physics Letters منتشر شده است.