سنگ باستانی نامیبیا، کلید احتمالی دستیابی به پتانسیل واقعی کامپیوترهای کوانتومی

یکی از روش‌های استفاده از حداکثر ظرفیت کامپیوترهای کوانتومی، به کارگیری مواد مبتنی بر نور و ماده است. دانشمندان حالا یک گام در این مسیر جلوتر رفته و با موفقیت بزرگ‌ترین ذره هیبریدی متشکل از نور و ماده در تاریخ را ساخته‌اند. این شبه‌ذره که با نام «ریدبرگ» (Rydberg) شناخته می‌شود با کمک یک ذره سنگی ساخته شده که حاوی کریستال‌های اکسید مس (CU2O) از سنگ‌های باستانی نامیبیا است.

دانشمندان با خارج کردن این کریستال‌ها از سنگ‌های باستانی نامیبیا، آن‌ها را صیقل داده و به اندازه‌ای نازک‌تر از موی انسان درآوردند. سپس کریستال‌ها در بین دو آینه قرار گرفتند تا نور را به دام بیندازند. نتیجه‌ کار شبه‌ذره‌ای به نام پلاریتون ریدبرگ بود که 100 برابر از نمونه‌های قبلی بزرگ‌تر بود.

این دستاورد ما را به ساخت شبیه‌ساز کوانتومی نزدیک‌تر می‌کند که می‌تواند مبتنی بر این پلاریتون‌های ریدبرگ کار کند و با استفاده از بیت‌های کوانتومی (کیوبیت‌ها) اطلاعات را در قالب صفر، یک یا عددی بین این دو ذخیره کند. «حمید اوحدی»، فیزیکدان ایرانی دانشگاه سنت اندروز انگلیس می‌گوید: «ساخت یک شبیه‌ساز کوانتومی با نور، هدف غایی دانشمندان این حوزه است. ما با ساخت پلاریتون‌های ریدبرگ که یکی از بخش‌های کلیدی در دستیابی به این هدف است، گام بزرگی در این مسیر برداشته‌ایم.»

ترکیب ماده و نور در کامپیوترهای کوانتومی اهمیت دارد

نکته مهم درباره اهمیت پلاریتون‌های ریدبرگ این است که می‌توانند از نور به ماده و بالعکس تغییر حالت دهند. محققان نور و ماده را به دو سمت یک سکه تشبیه می‌کنند و پلاریتون‌ها فقط می‌توانند با سمت ماده تعامل برقرار کنند. این مسئله از آن جهت اهمیت دارد که ذرات نور سریع حرکت می‌کنند، ولی با یکدیگر تعامل ندارند. ماده آهسته‌تر است، اما می‌تواند تعامل داشته باشد. ترکیب این ویژگی‌ها می‌تواند حداکثر توان کامپیوترهای کوانتوم را در دسترس قرار دهد.

پلاریتون‌های ریدبرگ از ترکیب اکسیتون‌ها و فوتون‌ها ساخته می‌شوند. این‌جاست که پای سنگ باستانی نامیبیا وسط می‌آید: اکسید مس یک نیمه‌رساناست، یعنی اجازه می‌دهد الکترون‌ها بدون مقاومت جریان داشته باشند. اکسیتون‌ها شبه‌ذراتی‌اند که از نظر الکتریکی خنثی محسوب می‌شوند و در شرایط مناسب می‌توانند با ذرات نور جفت شوند. اکسیتون‌های بزرگ اکسید مس قادرند در شرایط خاصی موسوم به «ریزگرانش فابری-پرو» با فوتون‌ها جفت شوند.

محققان در مقاله خود که در مجله Nature Materials منتشر شده، می‌گویند این نتایج راه دستیابی به اکسیتون-پلاریتون‌هایی را هموار می‌کند که قدرت تعامل بسیار بالایی دارند. به‌علاوه، با این یافته‌ها می‌توان از طریق استفاده از نور در تراشه‌ها، مطالعات بیشتری درباره فازهای مختلف ماده انجام داد.