دانشمندان با تشکیل مراکز خالی با منفعت گیری از سریم(cerium) توانستند سنگ‌های قیمتی لعل را به سامانه‌های کیوبیتی کامل تبدیل کنند. با این حال، تحقیقات بیشتری برای دستیابی به کنترل کامل بر مراکز سریم مورد نیاز است.

به نقل از آی‌ای، احتمالا نام کیوبیت‌های الماس را شنیده باشید، اما الماس‌ها تنها سنگ‌های قیمتی نیستند که می‌توانند برای ذخیره اطلاعات کوانتومی منفعت گیری شوند. یک مطالعه تازه مشخص می کند که لعل که یک جواهر کمیاب است نیز می‌تواند به گفتن یک سامانه کیوبیتی منفعت گیری شود.

سنگ‌های لعل جواهراتی شفاف می باشند که در رنگ‌های قرمز، آبی، سیاه، بنفش، سفید، زرد و رنگ‌های دیگر وجود دارند. آنها کمیاب‌تر از الماس‌ها در نظر گرفته خواهد شد، اما از لحاظ قیمتی طبق معمولً مقرون به صرفه‌تر می باشند.

تا به حال، سنگ‌های لعل‌ها فقط برای قیمت زیبایی‌شناختی شناخته شده بودند، اما یک مطالعه تازه پتانسیل آنها را در پیشرفت فناوری کوانتومی برجسته کرده است.

دیوید آوشالوم(David Awschalom)، یکی از نویسندگان این مطالعه و استاد دانشگاه شیکاگو می‌گوید: ما با منفعت گیری از ویژگی‌های بی همتا لعل، نه تنها فهمیدن خود را از سامانه‌های کیوبیتی ارتقاء می‌دهیم، بلکه جعبه ابزار فناوری‌های کوانتومی را به راه حلهایی که قبلا فکر نمی‌شد، گسترش می‌دهیم.

تبدیل لعل به یک سامانه کیوبیتی اسپین حالت جامد

هنگامی نقص‌های اتمی خاصی در یک سنگ قیمتی داخل خواهد شد، مراکز خالی با ویژگی‌های بی همتا تشکیل می‌کنند که به آنها اجازه می‌دهد به گفتن کیوبیت عمل کنند.

به گفتن مثال، هنگامی که یک اتم نیتروژن در یک الماس، با اتم کربن جانشین می‌شود و با یک اتم کربن از دست رفته (جای خالی) جفت می‌شود، یک مرکز خالی نیتروژن(NV) را راه اندازی می‌دهد. این مرکز NV را می‌توان با منفعت گیری از لیزر و میدان‌های مغناطیسی کنترل کرد و آن را قادر می‌سازد تا به گفتن یک کیوبیت عمل کند.

مرکز خالی نیتروژن(NV) در الماس به گفتن یک سیستم کیوبیت اسپین حالت جامد که یک دستگاه کوانتومی کوچک است که در آن اطلاعات در اسپین الکترون یا هسته اتمی درون یک ماده جامد ذخیره می‌شود، متمرکز می‌شود.

نویسندگان این مطالعه در میانه آزمایش با لعل، رویکرد شبیهی را جستوجو کردند. آنها بازدید کردند که چطور سریم(Ce) کاشته شده در دو ماده MgO و MgAl2O4 (لعل) می‌تواند به گفتن کیوبیت کار کند. آنها دریافتند که Ce در لعل(MgAl2O4) بیشتر از ۱۰ برابر زیاد تر از MgO نور ساطع می‌کند و تشخیص آن را آسان‌تر می‌کند.

آنها این چنین مشاهده کردند که انتشار کردن نور از مراکز سریم در لعل، وقتی که در معرض میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، حتی در دماهای زیاد پایین (فقط چهار کلوین) اندکی تحول می‌کند که مشخص می کند این مراکز می‌توانند به گفتن کیوبیت عمل کنند و اسپین آنها را می‌توان با منفعت گیری از یک میدان مغناطیسی کنترل کرد.

فقدان یک کارکرد کیوبیت

هنگامی که دانشمندان قادر به مقداردهی اولیه، دستکاری و خواندن حالت کیوبیت باشند، یک نقص اتمی همانند یک کیوبیت کامل عمل می‌کند. هنگامی نوبت به مراکز سریم در لعل می‌رسد، نویسندگان مطالعه می‌توانند کیوبیت را تنظیم کنند و حالت آن را بخوانند، اما تا این مدت قادر به دستکاری آن نیستند.

به این علت تحقیقات بیشتری برای دستیابی به کنترل کامل بر مراکز سریم مورد نیاز است. هنگامی که دانشمندان چگونگی دستکاری کیوبیت‌های لعل را کشف کنند، این سنگ‌های قیمتی می‌توانند برای برنامه‌های گوناگون محاسباتی کوانتومی منفعت گیری شوند.

مسئله مهمی که در اینجا باید به آن اشاره کرد، این است که دلایل بسیاری وجود ندارد که چرا دانشمندان تصمیم دارند از سنگ‌های قیمتی همانند الماس و لعل برای ذخیره اطلاعات کوانتومی منفعت گیری کنند.

برای مثال، جدا از این حقیقت که نقص‌های اتمی همانند یک مجموعه عالی برای کنترل اسپین الکترون عمل می‌کنند، ساختار شفاف سنگ‌های قیمتی زمان منحصربه‌فردی را برای دانشمندان فراهم می‌کند تا بتوانند اسپین را بدون به خطر انداختن پایداری کیوبیت دستکاری کنند.

ماناتو کاواهارا(Manato Kawahara)، محقق ارشد این مطالعه و دانشجوی دکترا در دانشگاه توهوکو می‌گوید: به آن همانند یک کره شیشه‌ای برفی فکر کنید. شیشه‌ کره‌ برفی از اجسام در برابر مزاحمت‌های بیرونی محافظت می‌کند، با این حال ما تا این مدت هم می‌توانیم آن را دستکاری کنیم.

علاوه بر این، وجه بلوری قوی سنگ‌های قیمتی، آنها را به محیطی ایده آل برای محافظت از اطلاعات کوانتومی در برابر شرایط خارجی تبدیل می‌کند.

این مطالعه در مجله Applied Physics Express انتشار شده است.