شحن الكيوبت

في الحوسبة الكمومية ، يُعرف الكيوبت المشحون (أو صندوق أزواج كوبر ) بأنه كيوبت تكون حالاته الأساسية حالات شحنة (أي حالات تمثل وجود أو غياب أزواج كوبر الزائدة في الجزيرة). ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} في الحوسبة الكمومية فائقة التوصيل ، يتكون الكيوبت المشحون ^{[ 4 ]} من جزيرة فائقة التوصيل صغيرة الحجم متصلة بوصلة جوزيفسون (أو عمليًا، وصلة نفق فائقة التوصيل ) بخزان فائق التوصيل (انظر الشكل). تُحدد حالة الكيوبت بعدد أزواج كوبر التي عبرت النفق عبر الوصلة. على عكس حالة شحنة أيون ذري أو جزيئي، فإن حالات شحنة هذه "الجزيرة" تتضمن عددًا كبيرًا من إلكترونات التوصيل فيها. يمكن تحقيق التراكب الكمومي لحالات الشحنة عن طريق ضبط جهد البوابة U الذي يتحكم في الكمون الكيميائي للجزيرة. عادةً ما تتم قراءة الكيوبت المشحون عن طريق ربط الجزيرة كهربائياً بمقياس كهربائي حساس للغاية مثل ترانزستور الإلكترون المفرد بترددات الراديو .

تتراوح أزمنة التماسك T2 النموذجية للكيوبتات المشحونة بين 1 و2  ميكروثانية. ^{[ 5 ]} وقد أظهرت دراسات حديثة _أزمنة T2 تقترب _من 100 ميكروثانية باستخدام نوع من الكيوبتات المشحونة يُعرف باسم الترانزمون داخل تجويف فائق التوصيل ثلاثي الأبعاد. ^{[ 6 ] [ 7 ]} ويُعد فهم حدود T2 مجالًا بحثيًا نشطًا في مجال الحوسبة الكمومية فائقة التوصيل _.

تُصنع الكيوبتات الشحنية باستخدام تقنيات مشابهة لتلك المستخدمة في الإلكترونيات الدقيقة . تُصنع هذه الأجهزة عادةً على رقائق السيليكون أو الياقوت باستخدام الطباعة الحجرية بشعاع الإلكترون (وهي تختلف عن الكيوبت الطوري الذي يستخدم الطباعة الحجرية الضوئية ) وعمليات تبخير الأغشية المعدنية الرقيقة. ولإنشاء وصلات جوزيفسون ، تُستخدم عادةً تقنية تُعرف باسم التبخير الظلي ؛ حيث يتم تبخير المعدن المصدر بالتناوب بزوايا مختلفة من خلال القناع المحدد بالطباعة الحجرية في مقاوم شعاع الإلكترون. ينتج عن ذلك طبقتان متداخلتان من المعدن فائق التوصيل، بينهما طبقة رقيقة من العازل (عادةً أكسيد الألومنيوم ).

إذا كان لوصلة جوزيفسون سعة وصلة${\displaystyle C_{\rm {J}}}$ومكثف البوابة${\displaystyle C_{\rm {g}}}$إذن، فإن طاقة الشحن (كولوم) لزوج واحد من ذرات كوبر هي:

${\displaystyle E_{\rm {C}}=(2e)^{2}/2(C_{\rm {g}}+C_{\rm {J}}).}$

لو${\displaystyle n}$يشير إلى عدد أزواج كوبر الزائدة في الجزيرة (أي أن صافي شحنتها هو${\displaystyle -2ne}$), إذن فإن الهاميلتوني هو: ^{[ 4 ]}

${\displaystyle H=\sum _{n}{\big [}E_{\rm {C}}(n-n_{\rm {g}})^{2}|n\rangle \langle n|-{\frac {1}{2}}E_{\rm {J}}(|n\rangle \langle n+1|+|n+1\rangle \langle n|){\big ]},}$

أين${\displaystyle n_{\rm {g}}=C_{\rm {g}}V_{\rm {g}}/(2e)}$هو مُعامل تحكم يُعرف باسم شحنة الإزاحة الفعالة (${\displaystyle V_{\rm {g}}}$(جهد البوابة)، و${\displaystyle E_{\rm {J}}}$طاقة جوزيفسون لوصلة النفق.

عند درجات الحرارة المنخفضة وجهد البوابة المنخفض، يمكن للمرء أن يقتصر التحليل على أدنى مستوى فقط${\displaystyle n=0}$و${\displaystyle n=1}$الحالات، وبالتالي الحصول على نظام كمي ثنائي المستوى (يُعرف أيضًا باسم كيوبت ).

تجدر الإشارة إلى أن بعض الأوراق البحثية الحديثة ^{[ 8 ] [ 9 ]} تتبنى تدوينًا مختلفًا، وتعرف طاقة الشحن على أنها طاقة إلكترون واحد:

${\displaystyle E_{\rm {C}}=e^{2}/2(C_{\rm {g}}+C_{\rm {J}}),}$

ثم يكون الهاميلتوني المقابل هو:

$$$

حتى الآن، تُعدّ مصائد الأيونات والرنين المغناطيسي النووي من أكثر تطبيقات الكيوبتات نجاحًا ، حتى أن خوارزمية شور طُبّقت باستخدام الرنين المغناطيسي النووي. ^{[ 10 ]} مع ذلك، يصعب تصور إمكانية توسيع نطاق هاتين الطريقتين لتشمل مئات أو آلاف أو ملايين الكيوبتات اللازمة لإنشاء حاسوب كمومي . تتميز تمثيلات الكيوبتات في الحالة الصلبة بسهولة توسيع نطاقها، لكنها تعاني من مشكلة فقدان الترابط . أما الموصلات الفائقة، فتتميز بسهولة توسيع نطاقها، كما أنها أكثر ترابطًا من أنظمة الحالة الصلبة العادية. ^{[ 10 ]}

شهد تطبيق الكيوبتات فائقة التوصيل للشحنة تقدماً سريعاً منذ عام 1996. وقد وُصف التصميم نظرياً عام 1997 بواسطة شنيرمان ^{[ 11 ]} ، بينما نُشرت أدلة على التماسك الكمومي للشحنة في صندوق أزواج كوبر في فبراير 1997 بواسطة فنسنت بوشيات وآخرون ^{[ 12 ]} . وفي عام 1999، رُصدت التذبذبات المتماسكة في كيوبت الشحنة لأول مرة بواسطة ناكامورا وآخرون ^{[ 13 ]} . وبعد عامين، رُصدت معالجة الحالات الكمومية والتنفيذ الكامل لكيوبت الشحنة ^{[ 14 ]} . وفي عام 2007، طُوّر جهاز أكثر تطوراً يُعرف باسم ترانسمون، يتميز بأوقات تماسك محسّنة نتيجة انخفاض حساسيته لضوضاء الشحنة، في جامعة ييل على يد روبرت ج. شويلكوف ، وميشيل ديفوريه ، وستيفن م. جيرفين، وزملائهم.