دستاورد مهم دانشمندان: کشف حالت‌های جدید کوانتومی برای کاهش خطا در محاسبات

مواد کوانتومی می‌توانند در حالت‌های متنوعی ظاهر شوند که فقط در شرایط خاص مانند دمای پایین یا فشار بالا قابل مشاهده است. دانشمندان این حالات مختلف را به «باغ‌وحش کوانتومی» تشبیه می‌کنند که در آن گونه‌های عجیب‌وغریب و کشف‌نشده فراوانی وجود دارد. اکنون آنها گونه‌هایی را کشف کرده‌اند که تا پیش‌ازاین فقط به‌صوت تئوری وجود آنها اثبات شده بود. یکی از کاربردهای مهم این کشف کاهش خطای محاسبات کوانتومی است.

براساس گزارش Phys، محققان دانشگاه کلمبیا حالت کوانتومی را که قبلاً دیده نشده بود، در یک ماده دوبعدی مشاهده کردند. این حالت‌ها می‌توانند برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی توپولوژیکی سودمند باشند. برخلاف کامپیوترهای کوانتومی فعلی که با مواد ابررسانا مستعد تداخل مغناطیسی و خطا ساخته می‌شوند، کامپیوترهای کوانتومی توپولوژیکی ثبات بیشتر و خطاهای کمتری دارند.

تاکنون بیشتر تلاش‌ها برای تولید حالت‌های توپولوژیکی به آهنرباهای خارجی نیاز داشته است که باعث اختلال در کیوبیت‌های کامپیوترهای کوانتومی می‌شود. به عبارت دیگر، برای ایجاد حالات کوانتومی توپولوژیکی به یک روش بدون مغناطیسی نیاز داریم.

اکنون محققان می‌گویند بر این مانع غلبه کرده‌اند. آنها با استفاده از یک تکنیک نوری بسیار حساس، حالت‌هایی را کشف کردند که به هیچ میدان مغناطیسی خارجی نیاز ندارند. این حالت‌ها به طور طبیعی در ماده‌ای به نام «دی‌تلورید مولیبدن پیچ‌خورده» (twisted MoTe₂) ظاهر می‌شوند؛ این ماده دوبعدی موآره است.

کشف حالت‌های جدید کوانتومی

برای آنکه بهتر با دستاورد محققان آشنا شویم، بهتر است ابتدا «اثر هال» (Hall effect) را توضیح بدهیم. «ادوین هال»، فیزیکدان آمریکایی، در سال 1879 توضیح داد که چگونه الکترون‌ها در امتداد لبه فلزی هنگام قرارگرفتن در معرض میدان مغناطیسی جریان می‌یابند: هرچه آهنربا قوی‌تر باشد، اختلاف ولتاژ در فلز نیز قوی‌تر خواهد بود.

هنگامی که الکترون‌ها در دماهای فوق سرد و فقط در دوبعد در معرض میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند – جایی که اثرات مکانیک کوانتومی قابل مشاهده است – تغییر ولتاژ دیگر متناسب با میدان مغناطیسی نیست. ولتاژ به‌جای افزایش خطی، «کوانتیزه» می‌شود و باتوجه به بار الکترون، جهش ولتاژ به‌صورت مرحله‌ای خواهد بود.

این مراحل کوانتومی را می‌توان به مراحل کوچک‌تر نیز تقسیم کرد؛ حالت‌هایی با بارهایی که کسری از بارهای یک الکترون هستند تشکیل می‌شوند: -½، -⅔، -⅓، و غیره. نکته جالب اینکه برای این کشف، پروفسور بازنشسته دانشگاه کلمبیا، «هورست استورمر»، در سال 1998 جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد.

محققان دهه‌هاست که در جستجوی «اثر هال کوانتومی کسری» بوده‌اند و این اثر در مواد مختلف نشان داده شده است. طی این سال‌ها نیز مطالعات روبه‌جلوی زیادی انجام شده‌اند و پژوهش جدید نیز در ادامه همان‌هاست.

در اثر هال کوانتومی کسری، الکترون‌ها در یک ماده به طور جمعی رفتار می‌کنند و شبه‌ذرات خاصی را ایجاد می‌کنند. این ذرات بارهایی دارند که کسری از بار یک الکترون است. رفتار این شبه ذرات عجیب‌و‌غریب به گونه‌ای است که نه الکترون‌ها و نه فوتون‌ها انجام می‌دهند. اگرچه این امر غیرقابل تصور به نظر می‌رسد، اما در مکانیک کوانتومی اتفاق می‌افتد. نکته مهم این است که این پدیده به میدان‌های مغناطیسی خارجی قوی نیاز دارد که محققان می‌خواستند از آن اجتناب کنند.

محققان دریافتند وقتی لایه‌های دی‌تلورید مولیبدن پیچ‌ می‌خورند، توپولوژیک می‌شوند. این بدان معناست که الکترون‌های آن‌ها در ترتیبات خاصی قرار می‌گیرند که باعث می‌شود به کل بزرگ‌تری بپیوندند که می‌تواند به نوبه خود و به شکل غیرمستقیم، به بارهای هال کوانتومی کسری تجزیه شود. این امر همچنین یک میدان مغناطیسی داخلی ایجاد می‌کند. بدین ترتیب نیاز به آهنربای خارجی نیز برطرف می‌شود.

یافته‌های این پژوهش در نیچر منتشر شده است.