นักวิทยาศาสตร์บันทึกการเปลี่ยนแปลงของคลื่นแรงสั่นสะเทือนของอะตอมภายในผลึกก่อนการสร้างคิวบิต

นักวิทยาศาสตร์ได้บันทึกการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นภายในผลึกในช่วงก่อนการสร้างคิวบิต ทีมนักวิจัยของ Argonne National Laboratory สังกัดกระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกา ได้ติดตามการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างสามมิติภายในซิลิคอนคาร์ไบด์ โดยใช้แหล่งรังสี X อันเป็นหนึ่งในแหล่งที่ทรงพลังที่สุดในโลกในทดลอง ผลการวิจัยตีพิมพ์ในวารสาร ACS Nano ทำให้นักวิจัยสามารถสังเกตแบบเรียลไทม์ได้ว่าโครงกริดอะตอมของวัสดุตอบสนองต่อการโจมตีของเลเซอร์อย่างไร การสร้างอุปกรณ์ควอนตัมแบบคงที่มักเกี่ยวข้องกับการทำลายอย่างเจตนารู้ใจ นักฟิสิกส์ยิงพัลส์เลเซอร์ที่เร็วมากเข้าสู่โครงกริดผลึก แสงสว่างส่องเพียงชั่วข้ามกาละเท่านั้น และผลักอะตอมเดี่ยวออกจากตำแหน่ง

องค์ประกอบพื้นฐานของคิวบิต

กระบวนการนี้ทิ้งช่องว่างเล็กๆ ที่เรียกว่าช่องว่าง (hole) "ช่องว่างเหล่านี้ไม่ใช่ข้อบกพร่อง มันสามารถทำหน้าที่เป็นคิวบิตได้ — เป็นองค์ประกอบพื้นฐานของข้อมูลควอนตัม" Argonne National Laboratory ระบุ คิวบิตใช้สำหรับจัดเก็บและประมวลผลข้อมูลควอนตัม จึงเป็นโครงสร้างพื้นฐานของคอมพิวเตอร์ควอนตัม เครือข่ายการสื่อสารที่ปลอดภัย และเซ็นเซอร์การแพทย์ขั้นสูง

จนถึงปัจจุบัน กลไกทางฟิสิกส์ที่แท้จริงของการโจมตีเลเซอร์ยังคงเป็นจุดมืด วิธีเก่าใช้ไอออนหรือบีมอิเล็กตรอน แต่การควบคุมตำแหน่งมีจำกัด เลเซอร์สามารถเป้าหมายตำแหน่งเฉพาะได้ แต่นักวิจัยเพียงเดาได้ว่าพลังงานเคลื่อนที่ในโครงกริดอย่างไร การสร้างคิวบิตเป็นกระบวนการทดลองผิดลองถูกในส่วนใหญ่ "ก่อนที่คุณจะออกแบบข้อบกพร่องควอนตัมได้อย่างแม่นยำ คุณต้องเข้าใจอย่างแน่ชัดว่าเลเซอร์ทำอะไรภายในวัสดุ" นักวิทยาศาสตร์ของ Argonne National Laboratory ไฮดัน เวน (Haidan Wen) กล่าว เขาเป็นผู้เขียนร่วมของบทความวิจัยนี้ "เทคโนโลยีนี้ทำให้เราสามารถสังเกตกระบวนการนี้ขณะเกิดขึ้น โดยเฉพาะการเคลื่อนที่ของอะตอมที่เป็นไปไม่ได้ในอดีต"

เพื่อแก้ปัญหานี้ ทีม Argonne สร้างกล้องระดับอะตอม พวกเขารวมเลเซอร์อัลตร้าเฟสต์กับ Advanced Photon Source ของห้องปฏิบัติการ ซึ่งสามารถสร้างบีมรังสี X ที่สว่างมาก ทีมโฟกัสบีมนี้ให้เหลือเพียงหลายร้อยแนนโมเมตร ประมาณหนึ่งร้อยของเส้นผมมนุษย์

การสังเกตการเปลี่ยนแปลงของคลื่นแรงสั่นสะเทือนของอะตอม

รังสี X แข็งสามารถเจาะผ่านผลึกได้โดยตรง เนื่องจากการเจาะผ่านนี้ พัลส์จึงบันทึกกิจกรรมภายในตัวอย่าง ไม่ใช่เพียงผิวภายนอก เลเซอร์โจมตีวัสดุ และแสงสว่างรังสี X ที่ซิงโครไนซ์จับภาพการตอบสนองทันทีที่ตามมา ภาพแสดงปฏิกิริยาทางฟิสิกส์สองแบบที่แตกต่างกันเกิดขึ้นพร้อมกัน ส่วนหนึ่งของพลังงานเดินทางผ่านผลึกในรูปของคลื่นแรงกระแทกที่มีระเบียบ คลื่นนี้คล้ายกับคลื่นเล็กๆ ที่แพร่กระจายบนผิวยางที่ถูกตี ขณะเดียวกัน พลังงานส่วนที่เหลือแพร่กระจายในรูปของความร้อนด้วยความเร็วที่ช้ากว่า พลังความร้อนนี้ทำให้อะตอมใกล้เคียงสั่นสะเทือนแบบสุ่ม ก่อนที่โครงกริดจะคงที่กลับมาใหม่

ซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นหินมุมโถของอุตสาหกรรมชิปคอมพิวเตอร์เชิงพาณิชย์แล้ว โรงงานทราบดีว่าจะผลิตมันได้อย่างไรในปริมาณมาก ดังนั้น วัสดุนี้จึงถูกมองว่าเป็นผู้สมัครที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการผลิตฮาร์ดแวร์ควอนตัมในปริมาณมาก

วิศวกรหวังว่าข้อมูลเหล่านี้จะลดความจำเป็นในการทดลองผิดลองถูก ด้วยการทำแผนที่การถ่ายโอนพลังงานนี้ นักวิจัยมุ่งเป้าสู่การวางคิวบิตเดี่ยวให้แม่นยำที่พิกัดเฉพาะตามความต้องการ ทีมวางแผนทดสอบวิธีการถ่ายภาพของพวกเขาบนวัสดุควอนตัมอื่นๆ เพื่อให้โปรโตไทป์ที่ผลิตในห้องปฏิบัติการเข้าใกล้สายการประกอบโรงงานมากขึ้น

ศักยภาพการพัฒนาอนาคตของการคำนวณควอนตัม

การวิจัยนี้เผยให้เห็นกลไกทางฟิสิกส์สำคัญในกระบวนการสร้างคิวบิต โดยเฉพาะผลกระทบของเลเซอร์ต่อการเคลื่อนที่ของอะตอมภายในผลึก ผ่านการสังเกตแบบเรียลไทม์ นักวิทยาศาสตร์เข้าใจลึกซึ้งขึ้นเกี่ยวกับการถ่ายโอนพลังงานในโครงกริด ซึ่งสำคัญยิ่งต่อการพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัม ซิลิคอนคาร์ไบด์ในฐานะหินมุมโถของชิปเชิงพาณิชย์ หากนำไปประยุกต์ใช้กับฮาร์ดแวร์ควอนตัมได้สำเร็จ จะขับเคลื่อนกระบวนการคอมเมิร์เชียลไลซ์เทคโนโลยีควอนตัมอย่างมาก ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีเหล่านี้ไม่เพียงเพิ่มประสิทธิภาพการคำนวณควอนตัม แต่ยังอาจส่งเสริมการสื่อสารที่ปลอดภัยกว่าและการประยุกต์ใช้ทางการแพทย์ขั้นสูง