كوبيت ترانسمون

الطريق لا يُبنى بهدم المنازل المجاورة: أولاً تُفرش طبقة الأسفلت، ثم يُزال الزائد حتى يظهر سطح مستوٍ. هذا ما فعله فيزيائيون من هايدلبرغ عندما تناولوا إنتاج وصلات جوزيفسون، وهي شطائر صغيرة من موصل فائق وعازل يمر عبرها التيار دون مقاومة. سابقًا، كانت هذه الوصلات تُصنع بإزالة القناع الواقي، كما لو كنت تهدم المباني لإفساح المجال للطريق. كانت هذه الطريقة بطيئة وتترك حوافًا خشنة.

المترجم في قاعة المحكمة يجب أن ينقل كل كلمة دون أن يشتت انتباهه بضوضاء القاعة. في العالم الكمومي، يلعب الرنان فائق التوصيل دور هذا المترجم، إذ يجب أن يفقد الفوتونات وفق جدول زمني صارم، دون أن ينحرف بتأثيرات دخيلة. سابقًا، كان يُستخدم الضخ الميكروويفي، لكنه هو نفسه كان يسبب تشويشًا، كما لو أن المترجم بدأ يصرخ بتعليقات الجمهور. الآن وجد العلماء طريقة أكثر هدوءًا.

غشاء بلاستيكي بسمك شعرة الإنسان يحتوي على نقاط بلاتين أصغر من جزء من مليون من المليمتر — تُعرف بالجسيمات النانوية. توجد هذه النقاط عند الحدود بين طبقتين من الترانزستور وتعمل كمصائد للشحنة الكهربائية: مثل الإسفنج الذي يمتص الماء، تلتقط هذه النقاط الإلكترونات وتحتفظ بها. عندما تتراكم الشحنة، يغير الترانزستور مقاومته — ويتذكر هذه الحالة.

جهاز التداخل الكمومي فائق التوصيل هو أداة تلتقط مجالًا مغناطيسيًا أضعف بمليارات المرات من إبرة البوصلة العادية. بداخله جسر ضيق تنقطع فيه فجأة خاصية التوصيل الفائق. يعمل هذا الجسر مثل بوابة دوارة لتدفق المغناطيسي: بعدّ كمية الكمات التي مرت، يقيس الجهاز المجال. لكن المشكلة أن الجسر يُصنع من قطعتين من الموصل الفائق تُلحمتان تحت المجهر.

أنبوب الماء: كلما كان أوسع، مرّت كمية أكبر من الماء. وفي التلامسات فائقة التوصيل — وصلات جوزيفسون (جسور يمر عبرها التيار دون مقاومة) — الأمر عادةً كذلك: كلما كانت الموصلية أفضل في الحالة العادية، كان التيار فائق التوصيل المار عبرها أكبر.

في غرفة مظلمة، بالكاد يُسمع همس. لتمييز الكلمات، عليك الاقتراب كثيرًا — أو نصب العديد من الميكروفونات الحساسة. هذا تقريبًا ما يفكر فيه مؤلفو العمل الجديد: يضعون «آذانًا» كمية داخل الرنان نفسه، حيث تتحول الموجة الثقالية عالية التردد إلى صدى كهرومغناطيسي.

قطرة بعد قطرة من الصنبور — أو تيار منتظم دون أي تموج. هكذا يبدو النمطان من التيار في وصلة فائقة التوصيل تقريباً. لكن دور الماء تلعبه أزواج كوبر — إلكترونات مرتبطة تتحرك دون مقاومة. في أحد الحدين، تتسرب الأزواج واحداً تلو الآخر، مثل قطرات نادرة: التيار يسري لكن مع خسائر. وفي الآخر، تتدفق كتيار واحد دون أي احتكاك.

الرنان الفارغ ليس فارغًا تمامًا. حتى في الفراغ المطلق، حيث لا يوجد فوتون واحد فوتون - وهو كم الضوء - توجد تقلبات كمومية: ولادة واختفاء مستمران لجسيمات افتراضية. هذا يشبه تموجات على سطح الماء في هدوء تام: يبدو السطح أملسًا، لكن الجزيئات تستمر في الاهتزاز. تعلم الفيزيائيون تحويل هذا الاهتزاز إلى موجات حقيقية - فوتونات حقيقية.

في العالم الكمي، هناك رقصته الخاصة. حلقتان فائقتا التوصيل، تحتفظ كل منهما بتدفقها المغناطيسي المُكمَّى، تتمايلان في فالس متزامن. بينهما فراغ، لا خطوط قوة، لكنهما تتبعان حركات بعضهما بدقة. تجسّد هذه الكوريغرافيا العجيبة حلماً قديماً: اختبار إمكانية نقل المعلومات الكمومية دون نقل طاقة، بالاعتماد فقط على الجهد الاتجاهي المتغلغل في كل شيء.

الكيوبتات فائقة التوصيل هي القلب النابض لـ الحواسيب الكمومية، لكن إيقاعها يضطرب بفقدان التماسك: حيث تذوب الكمومية في الضوضاء. البنى التقليدية إما تفقد دقة التحكم، أو تعتمد على المجالات المغناطيسية — وهذه، كقادة أوركسترا غير مدعوين، تُدخل تداخلاً متبادلاً. أليكسي كيتايف ابتكر الحماية التماثلية — وسيلة لترميز الكيوبت بحيث لا تراه ضوضاء الشحنة.

في بلورة CsV3Sb5-xSnx، التي تصبح موصلًا فائقًا عند درجات حرارة منخفضة، لا يسري التيار كتدفق متصل، بل عبر مسارات ضيقة متعرجة. ساعد في رصد هذه المسارات مجهر ماسح مزود بمستشعر حساس للمجال المغناطيسي، يلتقط أدق التيارات كما يفحص مسبار الصدى قاع البحر. الصورة تذكرنا بشبكة جداول تشق الصخر: بعض المناطق تسمح بمرور التيار، بينما تظل أخرى محجوبة.

مفتاح يعرف بنفسه إلى أين يتدفق. هكذا يعمل صمام جوزيفسون الثنائي (Josephson diode) — جسر فائق التوصيل يمر فيه التيار في اتجاه واحد عن طيب خاطر، بينما يصطدم في الاتجاه الآخر. في العمل الجديد، صُنع هذا الجسر من الغرافين — ورقة كربون بسماكة ذرة واحدة. ظهر التأثير عندما طُبّق مجال مغناطيسي ضعيف على الجهاز — بضع ميلي تسلا فقط.

المحاكي الكمي القائم على المصيدة الأيونية يشبه أوركسترا، حيث كل أيون هو عازف، والناقل الصوتي (الاهتزازات الجماعية) هو قائد الأوركسترا الذي ينقل الإشارات. طالما يعزف الجميع لحنًا واحدًا، يسير كل شيء بسلاسة. لكن إذا طُلب من العازفين أداء مقطوعتين مختلفتين في الوقت نفسه، يبدأ قائد الأوركسترا في الاضطراب — تنشأ تشويشات تشوه الصوت.

الذرة مثل قائد الأوركسترا، والضوء داخل الرنان هو الأوركسترا. تبادل الطاقة بينهما، المعروف باسم تفاعل جينز-كمينغز (جزء من النموذج القياسي)، يسمح للذرة بتغيير إيقاع ونغمة التذبذبات بحركات "العصا". لكن حتى الآن، كان بإمكان القائد أداء عدد قليل فقط من المقطوعات المُعدّة مسبقًا — مجموعة الحالات المتاحة للمجال الضوئي كانت محدودة.

يدير السائق عجلة القيادة لتنعطف السيارة. في العالم الكمومي أيضًا توجد «عجلات قيادة» — معاملات خارجية تُغيَّر ببطء لنقل الجسيمات من مكان إلى آخر. هكذا يعمل مضخة ثاوليس: بتغيير الظروف ببطء، يمكن نقل عدد محدد بدقة من الجسيمات، وهذا العدد محمي من الاضطرابات بهندسة العملية نفسها. ولكن ماذا لو أزلنا السائق وتركنا النظام يدير عجلته بنفسه؟ اقترح مؤلفو العمل الجديد هذا بالضبط.

طابور من الأشخاص يمسكون بأيدي بعضهم البعض لكنهم ينظرون في اتجاهات مختلفة: بعضهم نحو الشمال، وآخرون نحو الجنوب. هكذا يُبنى المغناطيس الموجي من النوع p. فالإلكترونات فيه ترتب عزومها المغناطيسية (لفاتها) ليس بشكل عشوائي، بل بنمط موجي صارم.

جسر من الألومنيوم بسماكة بضع ذرات هو قلب العديد من الأجهزة الكمومية. عبر هذا الجسر، يتدفق التيار دون مقاومة، ويمكن التحكم فيه بواسطة مجال مغناطيسي. تُسمى هذه الجسور وصلات جوزيفسون نسبةً إلى الفيزيائي البريطاني الذي وصف سلوكها. عادةً ما تُصنع باستخدام شعاع إلكتروني، لكن ذلك مكلف وبطيء. الطريقة الجديدة تستغني عن الشعاع الإلكتروني.

الجسيمات الكمومية قادرة على عبور العوائق، وكأنها كرة تجد نفسها فجأة داخل تل وتخرج من الجانب الآخر. هذا تأثير النفق — وهو نتيجة مباشرة للطبيعة الموجية للمادة — فسّره جورج جاموف أثناء فكّه لآلية اضمحلال ألفا: كيف تغادر الجسيمات النواة الذرية متجاوزةً الحاجز الكامن.

الذاكرة العادية في جيبك تسخن حتى عندما تكون خاملة. تخيل الآن ذاكرة لا تستهلك شيئًا تقريبًا في البرد - مثل ترمس لا يبرد. الموصل الفائق عند درجة حرارة الهيليوم السائل يوصل التيار دون فقدان، لكنه لم يكن قادرًا على تخزين البيانات. الخلية الجديدة تغير هذا.

يتصرف الغاز فائق السيولة كسائل بلا احتكاك. ترتبط سحابتان من هذا الغاز بجسر ضيق، ويتدفق عبره تيار من الجسيمات. هذا يشبه تأثير جوزيفسون في الموصلات الفائقة، لكن بدل الإلكترونات توجد ذرات متعادلة. في الموصل الفائق، يُنشئ المجال المغناطيسي نمطًا من قيم قصوى ودنيا للتيار — مثل أشرطة ضوئية وداكنة من مصباح شارع عبر الستائر.

عندما تضغط على مفتاح الإضاءة، لا يضيء الضوء فورًا — تحتاج الإلكترونات في الأسلاك إلى وقت «لتتأرجح» وتنطلق معًا. في المعادن وأشباه الموصلات العادية، يكتسب التيار قوته تدريجيًا، مثل الماء في خرطوم عند فتح الصنبور للتو. لكن في مواد تُسمى أشباه الفلزات ذات الهندسة الكمومية، الأمر مختلف تمامًا: بمجرد تطبيق المجال، تنطلق الإلكترونات وكأنها بأمر «انطلق!» دون أي إحماء.

المعالج الكمومي يشبه تقاطعًا مزدحمًا: كلما زاد عدد السيارات، زادت صعوبة تجنب الاصطدامات. في العالم الكمومي، تلعب الكيوبتات دور السيارات — وهي حاملات المعلومات الأولية التي، على عكس البتات التقليدية، يمكن أن تكون صفرًا وواحدًا في آن واحد. اليوم، أفضل الكيوبتات هي فائقة التوصيل، فهي تعمل عند درجات حرارة أبرد من الفضاء الخارجي، وتتطلب تجاورًا وثيقًا لتبادل الإشارات.

ضفتان فائقتا التوصيل تربطهما جسر من مادة مغناطيسية. داخل الجسر يوجد جدار المجال المغناطيسي: حد ضيق تنعطف عنده المغنطة كما ينعطف صف من الجنود عند تغيير اتجاه الخطوة. التيار الذي يمر عبر هذا الجسر لا يتصرف مثل نهر هادئ، بل مثل تيار يلتف حول عائق: فهو يلتف في حلقات ويغير شدته.

رقاقة الكم تشبه كعكة ذات طبقات: معدن فائق التوصيل، طبقة رقيقة من العازل، ثم معدن مرة أخرى. سابقًا، كانت الطبقات تُوضع عبر قناع بوليمري — مثل استنسل للطلاء. كان البوليمر يترك قطرات غير مرئية على السطح تفسد خاصية التوصيل الفائق وتعيق النقاء. الآن أُزيل القناع. بدلاً منه، تُحفر أخاديد في السيليكون — مثل أتلام في حقل مزروع. يُرش المعدن مباشرة في هذه الأخاديد، فيستقر بدقة دون فضلات كيميائية.

الكيوبت يشبه وترًا يجب أن يتجمد قبل بدء اللحن. إذا كان يهتز، تبدأ الموسيقى بنغمة خاطئة. في أجهزة الكمبيوتر الكمومية، تلعب الكيوبتات فائقة التوصيل دور هذا الوتر. قبل كل عملية حسابية، يجب تهدئتها إلى الحالة الأرضية، وإلا كانت الأخطاء حتمية. عادةً ما يتم تبريد الكيوبت بإشارات كهربائية أو بانتظار أن يفقد الحرارة بنفسه. لكن هذه الطرق تترك "اهتزازًا" متبقيًا: حوالي واحد من كل مئة كيوبت لا يهدأ تمامًا.

في الحاسوب الكمومي، يشبه الكيوبت مشاةً على حبل مشدود: أي نَفَسَة ريح تُفقده توازنه. تتراكم الأخطاء وينهار الحساب. عادةً تُصحَّح الأخطاء بمقارنة الكيوبتات المجاورة، لكن هذا أشبه بطلب من المشاة على الحبل أن يلتفت إلى جاره — حركات زائدة ومخاطرة. في العمل الجديد، فعل الفيزيائيون خلاف ذلك: الكيوبت عندما يتعثر يصرخ بنفسه «لقد سقطت!» فيُلتقط فورًا.

الليزر العادي هو مضخم للضوء، حيث تبعث الذرات، بعد تلقيها الطاقة، موجات من تردد واحد بشكل متناسق. يفعل المازر الشيء نفسه، لكن بالنسبة للميكروويف — إشعاع غير مرئي يسخن الطعام في فرن الميكروويف وينقل الإشارات في الهواتف. في العمل الجديد، بنى الفيزيائيون مازرًا ليس من غاز أو بلورة، بل من دائرة كهربائية فائقة التوصيل، حيث يعمل عنصر اصطناعي متعدد مستويات الطاقة بدلاً من الذرة الحقيقية.

تعمل الحواسيب الكمومية وأجهزة الاستشعار على ترددات الموجات الدقيقة، ولكن من الملائم نقل إشاراتها لمسافات طويلة عبر الألياف البصرية، حيث يُستخدم الضوء. لربط هذين العالمين، نحتاج إلى وسيط — جهاز يترجم الموجات الدقيقة إلى فوتونات بصرية والعكس، دون تدمير المعلومات الكمومية الهشة. في العمل الجديد، كان هذا الوسيط عبارة عن بلورة طبقية CrSBr.

سيارتان متطابقتان تخرجان من خط التجميع نفسه. الهيكل، والعجلات، والمقود: كل شيء متطابق. فقط في إحداهما محرك بنزين عادي، وفي الأخرى محرك هجين يمكن ضبطه حسب الطريق. وإذا بالهجين يتعطل بعد بضعة كيلومترات، بينما البنزين يقطع عشرات الكيلومترات. هذا هو الحال تقريبًا مع نوعين من الكيوبتات فائقة التوصيل، وهي اللبنات الأساسية للحاسوب الكمومي.

غالبًا ما تُبنى الدوائر فائقة التوصيل على وصلات جوزيفسون (Josephson junctions) — وهي أماكن يتدفق فيها التيار دون مقاومة عبر حاجز رقيق. عادةً ما يكون هذا الحاجز طبقة أكسيد، لكن من الصعب التحكم في خصائصها على المستوى النانوي. في العمل الجديد، يصبح الحاجز طبقة رقيقة من نيتريد النيوبيوم أو التيتانيوم، محصورة بين طبقات من النيوبيوم.

في الرنان فائق التوصيل، لا ينعكس الضوء فحسب — بل يحتضن الكيوبت بقوة بحيث لم يعد من الممكن وصف رقصتهما المشتركة بالكتب المدرسية القديمة. أخذ الباحثون سلكًا نانويًا من زرنيخيد الإنديوم، وصنعوا منه كيوبتًا فائق التوصيل، ووضعوه في رنان ميكروويف.

عادةً ما يكون التيار الكهربائي متساوياً في كلا الاتجاهين، كالماء في أنبوب مستقيم. ولكن عند الحد الفاصل بين معدن عادي وموصل فائق، تنكسر هذه القاعدة. موجتان على الماء، عند التفافهما حول عائق عريض من جانبين مختلفين، قد تصلان بتأخير مختلف وتلتقيان 'خارج التزامن'. بنفس الطريقة، تتصرف الإلكترونات ونظيراتها المرآتية – الفجوات – داخل منطقة التلامس.

الكيوبت الفائق التوصيل العادي يشبه أرجوحة تهزها أي نسمة هواء. أدنى تغيير في الشحنة الكهربائية المجاورة يفسد الحالة الكمومية. في العمل الجديد، صنع الفيزيائيون أرجوحة بقاعدة ثقيلة: الشحنة على جزيرة الكيوبت لا يمكن أن تتغير إلا في أزواج، كما لو كان يتم إلقاء العملات المعدنية في حصالة اثنتين اثنتين فقط. هذه هي الحماية من ضجيج الشحنة.

مقياس حرارة المطبخ العادي يُظهر درجة الحرارة التي يفقد عندها الزئبق مقاومته للكهرباء. بالنسبة للموصلات الفائقة التي تُصنع منها أجهزة الكمبيوتر الكمومية، درجة الحرارة الحرجة هي بمثابة جواز سفر الجودة: كلما ارتفعت، كان ذلك أفضل. التنتالوم في شكل ألفا هو المتفوق، بينما كان يُعتبر توأمه بيتا متخلفًا. ولكن، كما اتضح، المتخلف أيضًا يعرف كيف يحل المسائل.

الحاسوب الكمومي مثل أوركسترا، حيث يجب على كل عازف أن يعزف نغمته دون نشاز. لكن الكوبيتات فائقة التوصيل تعاني من مشكلة شائعة: تتراكم شحنات عشوائية على أقطابها، فتنزلق "النغمة". يسمي المهندسون هذا انجراف انحياز الشحنة — وعادة ما يقاتلونه لسنوات.

الكيوبت، وهو خلية الحوسبة في الحاسوب الكمومي، يعيش لجزء من الألف من الثانية ثم ينسى حالته. أحد الأسباب هو وصلة صغيرة بداخله: طبقتان من الألومنيوم بينهما طبقة من أكسيد الألومنيوم بسمك نانومترين. تُسمى هذه الشطيرة وصلة جوزيفسون (Josephson junction)، ومن خلالها يتدفق تيار فائق التوصيل دون مقاومة.

غشاء رقيق من زرنيخيد الإنديوم موضوع على ركيزة عازلة يتصرف مثل ترمس مزدوج الجدران: الإلكترونات بداخله لا تنقل الحرارة تقريبًا إلى البلورة المحيطة. في المعدن العادي، تتبادل الإلكترونات الطاقة بسرعة مع اهتزازات الذرات، لذا تكون درجة حرارتها دائمًا قريبة من درجة حرارة العينة.

الصوت على سطح البلورة يشبه تموجات الماء، لكنه يجري على جسم صلب. هذه التموجات تُسمى الموجة الصوتية السطحية (surface acoustic wave): فهي تتحرك أبطأ من الضوء بمئة ألف مرة، لذا يمكن ضغطها في مقاطع قصيرة جدًا ووضعها على شريحة صغيرة. عادةً تُطلق هذه الموجات بواسطة أمشاط معدنية من الألومنيوم أو الذهب.

يشبه المستشعر العادي فائق الحساسية للمجال المغناطيسي ميزانًا يبدأ في الكذب إذا وضعت عليه ثقلًا ثقيلًا جدًا. تصبح الإشارة الصادرة عنه منحرفة، ويضطر المرء إلى إضافة إلكترونيات معقدة لتقويم القراءات. وهذه الإلكترونيات تُحدث ضجيجًا وتعيق العمل السريع. أما المستشعر الجديد — ثنائي-سكويبت — فمصمم بشكل مختلف.

الحاسوب الكمومي يشبه أوركسترا، حيث يجب على كل عازف-كيوبت أن يعزف نغمته دون نشاز. لكن من وقت لآخر، يقتحم القاعة مارٌّ عابر — جسيم إشعاعي من الفضاء — ويُفقد العازفين الإيقاع. تُسمى هذه الأعطال اندفاعات الأخطاء، وهي تعيق العمليات الحسابية. أخذ العلماء معالجين متطابقين تقريبًا بأنواع مختلفة من التماسات في الكيوبتات (وصلات جوزيفسون).