ตัวนำยิ่งยวดควอนตัมบิต

ตัวนำยิ่งยวดควอนตัมบิต

โลกควอนตัมดูแตกต่างจากโลกทั่วไปมาก ตัวอย่างเช่น อนุภาคควอนตัมสามารถอยู่ในสองตำแหน่งพร้อมกันได้ ในขณะที่ไม่สามารถวัดความเร็วและตำแหน่งของอนุภาคทั้งสองได้อย่างแม่นยำพร้อมกัน ยิ่งไปกว่านั้น หากมวลของมันมีขนาดเล็กพอ อนุภาคควอนตัมสามารถทะลุทะลวงผ่านอุปสรรคด้านพลังงานที่อนุภาคดั้งเดิมไม่สามารถข้ามไปได้ นักฟิสิกส์รู้สึกคุ้นเคยกับการใช้กลศาสตร์ควอนตัม

เพื่ออธิบาย

อะตอมและอนุภาคย่อยของอะตอม อย่างไรก็ตาม ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เราได้ค้นพบว่าวัตถุขนาดไมครอนที่ผลิตขึ้นโดยใช้เทคนิคการประดิษฐ์เซมิคอนดักเตอร์มาตรฐาน ซึ่งเป็นวัตถุที่มีขนาดเล็กในชีวิตประจำวันแต่มีขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับอะตอม ก็สามารถทำตัวเป็นอนุภาคควอนตัมได้เช่นกัน

วันหนึ่งวัตถุควอนตัมประดิษฐ์เหล่านี้อาจถูกใช้เป็น “ควอนตัมบิต” ในคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่สามารถทำงานด้านการคำนวณบางอย่างได้เร็วกว่าอุปกรณ์คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิก อย่างไรก็ตาม ก่อนหน้านั้น อุปกรณ์เหล่านี้จะช่วยให้เราสำรวจส่วนต่อประสานระหว่างโลกควอนตัมและโลกคลาสสิก 

และศึกษาว่าการมีปฏิสัมพันธ์กับระดับอิสระภายนอกนำไปสู่การค่อยๆ หายไปของพฤติกรรมควอนตัมได้อย่างไร ข้อมูลควอนตัมในคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิม ข้อมูลจะถูกจัดเก็บและประมวลผลเป็น “บิต” ซึ่งสามารถมีค่าใดค่าหนึ่งจากสองค่าที่เป็นไปได้: “0” หรือ “1” ควอนตัมบิตหรือ “คิวบิต” นั้นแตกต่างกัน: 

นอกจาก “0” และ “1” แล้ว คิวบิตยังสามารถอยู่ในสถานะซ้อนทับ α|0〉 + β|1〉 ซึ่งสามารถมีค่าทั้งสองค่าพร้อมกันได้ . อย่างไรก็ตาม เมื่อวัดควิบิต ผลลัพธ์จะเป็น “0” ซึ่งมีความน่าจะเป็นเท่ากับ α 2 หรือ “1” ซึ่งมีความน่าจะเป็นเท่ากับ β 2 พฤติกรรมที่น่าจะเป็นเช่นนี้ดูเหมือนจะเป็นพื้นฐานที่ดี

สำหรับการประมวลผลข้อมูล อย่างไรก็ตาม ตราบเท่าที่เราสามารถหลีกเลี่ยงการวัดได้ ระบบควอนตัมจะพัฒนาไปในทางที่กำหนดขึ้นอย่างสมบูรณ์ และยิ่งกว่านั้น จะรักษาความสามารถในการอยู่ในสองตำแหน่งในเวลาเดียวกันและต่อๆ ไป ความสามารถในการคงความเป็นควอนตัมมากกว่าแบบคลาสสิก

ในช่วงเวลา

หนึ่งเรียกว่าการเชื่อมโยงกันของควอนตัม ในที่นี้ คำว่า “การวัด” หมายถึงเหตุการณ์ทั้งโดยเจตนาและโดยบังเอิญ ซึ่งข้อมูลควอนตัมถูกถ่ายโอนออกจากระบบควอนตัม ในกรณีที่ไม่มีการวัดดังกล่าว ระบบจะคงความเชื่อมโยงกันทางควอนตัมไว้ นอกจากนี้ยังเป็นไปได้ที่จะสร้างสถานะที่แปลกกว่า

สถานะควอนตัมปกติด้วยการ “พันกัน” อนุภาคควอนตัมตั้งแต่สองอนุภาคขึ้นไป สถานะที่พันกันดังกล่าวแสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกด้วยโฟตอนในต้นทศวรรษ 1980 หากสถานะควอนตัมของหนึ่งในอนุภาคที่พันกันเปลี่ยนไป (เช่น หากโพลาไรเซชันของโฟตอนเปลี่ยนไป) สถานะของอนุภาคอีกอนุภาคหนึ่ง

จะเปลี่ยนไปในทางใดทางหนึ่งทันที แม้ว่าจะไม่มีอันตรกิริยาระหว่างกันก็ตาม การคำนวณด้วยควอนตัมขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทั้งสามประการของกลศาสตร์ควอนตัม: การซ้อนทับ ความเชื่อมโยงกัน และการพัวพันกัน  เพื่อให้มีประโยชน์ คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะต้องมีอย่างน้อย 10,000 คิวบิต อย่างไรก็ตาม

เป็นเรื่องยาก

มากที่จะหาเทคโนโลยีที่รวมระดับการควบคุมที่จำเป็นเหนือระบบควอนตัมสองระดับเข้ากับความเป็นไปได้ของการประดิษฐ์จำนวนมาก นักวิจัยสามารถสร้างชุดสปินนิวเคลียร์ขนาดใหญ่เป็นประจำโดยใช้เทคนิคเรโซแนนซ์แม่เหล็ก แต่แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะควบคุมสปินแต่ละอัน

ไอออนเดี่ยวและอะตอมในโพรงและกับดักสามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำ แต่จะเป็นการยากที่จะขยายเทคนิคเหล่านี้เป็นอะตอมหรือไอออนนับพัน ในทางกลับกัน คิวบิตโซลิดสเตตเพิ่งได้รับการสาธิตเท่านั้น แต่เครื่องมือการผลิตไมโครแฟบริเคชันที่ใช้ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์สามารถเป็นเส้นทาง

สู่การผลิตจำนวนมากได้ คิวบิตตัวนำยิ่งยวดในการสร้าง qubit แบบโซลิดสเตต เช่นเดียวกับ qubit ชนิดอื่นๆ เราจำเป็นต้องแยกระบบควอนตัมสองระดับ จนถึงปัจจุบัน ความพยายามในการสร้างโซลิดสเตตคิวบิตได้มุ่งเน้นไปที่ตัวนำยิ่งยวดและเซมิคอนดักเตอร์ ในขณะที่ได้ผลลัพธ์ที่น่าสนใจจากแนวทาง

ของเซมิคอนดักเตอร์สองวิธี  ควอนตัมดอทและระบบผู้บริจาครายเดียว ปัจจุบันแนวทางของตัวนำยิ่งยวดนั้นก้าวหน้าที่สุด เพื่อรักษาความเชื่อมโยงกัน จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องรักษาอันตรกิริยาของอิเล็กตรอนและอิเลคตรอน และอันตรกิริยาระหว่างอิเลคตรอนและระดับอิสระอื่นๆ (เช่น โฟนันในของแข็ง)

ให้อยู่ภายใต้การควบคุม ตัวนำยิ่งยวดมีข้อได้เปรียบในเรื่องนี้เนื่องจากอิเล็กตรอนควบแน่นเป็นคู่คูเปอร์ซึ่งก่อตัวเป็นของไหลยิ่งยวดเดียว ของไหลยิ่งยวดนี้สามารถเคลื่อนที่ผ่านตะแกรงโลหะได้โดยไม่มีแรงต้านทานใดๆ (กล่าวคือไม่มีปฏิกิริยาใดๆ) เนื่องจากต้องใช้พลังงานจำนวนหนึ่งซึ่งเรียกว่าช่องว่าง

พลังงานเพื่อแยกคูเปอร์คูเปอร์ออกจากกัน ในอะลูมิเนียม วัสดุยอดนิยมสำหรับสร้างวงจรควอนตัมตัวนำยิ่งยวด  ช่องว่างพลังงานสอดคล้องกับความถี่ 90 GHz ที่อุณหภูมิ 20 mK ช่องว่างนี้เป็นลำดับความสำคัญที่มากกว่าความแตกต่างของพลังงานโดยทั่วไประหว่างสองระดับในควิบิตตัวนำยิ่งยวด 

ซึ่งหมายความว่าเราสามารถ “ขับเคลื่อน” ควิบิตโดยไม่ทำลายคู่คูเปอร์และเป็นอันตรายต่อการเชื่อมโยงควอนตัมของระบบ พฤติกรรมของอิเล็กตรอน ถูกกำหนดโดยฟังก์ชันคลื่นควอนตัมเดี่ยว แอมพลิจูดของฟังก์ชันคลื่นนี้กำหนดจำนวนคู่คูเปอร์ ในขณะที่ค่าของเฟสจะสัมพันธ์กับกระแสน้ำยิ่งยวด

และสนามแม่เหล็กใดๆ ที่มีอยู่ แอมพลิจูดและเฟสของฟังก์ชันคลื่นเป็นตัวแปรคอนจูเกต นั่นคือ พวกมันสัมพันธ์กันด้วยหลักการความไม่แน่นอน ซึ่งหมายความว่าเราไม่สามารถวัดค่าทั้งสองค่าด้วยความแม่นยำตามอำเภอใจได้ในเวลาเดียวกัน คิวบิตตัวนำยิ่งยวดสองประเภทหลักคือ คิวบิตประจุ 

สล็อตเว็บตรง100 / ดูหนังฟรี / 50รับ100