۵ ژانویه ۲۰۲۶ -اتصال جوزفسون یک طرفه میتواند محاسبات کوانتومی را متحول کند
©Shutterstock/Bartlomiej K. Wroblewski
در قلب کامپیوترهای کوانتومی مدرن، یک ساختار به ظاهر ساده نهفته است: اتصال جوزفسون.
به طور سنتی، این دستگاه با قرار دادن دو ابررسانا در دو طرف یک مانع فوق نازک تشکیل میشود. با وجود جدایی، الکترونهای ابررسانا به طور هماهنگ عمل میکنند و اجازه میدهند جریان با دقت قابل توجه و بدون اتلاف انرژی جریان یابد.
این رفتار هماهنگ، زیربنای پیشرفتهترین پردازندههای کوانتومی امروزی است و زمانی که پیشرفتهای مرتبط، جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۵ را به دست آورد، در بالاترین سطح به رسمیت شناخته شد.
اکنون، یک تیم بینالمللی از فیزیکدانان چیزی را گزارش کردهاند که طرح دیرینه را به چالش میکشد. در یک مطالعه جدید، محققان اولین شواهد تجربی را ارائه میدهند که نشان میدهد رفتار شبیه اتصال جوزفسون حتی زمانی که تنها یک ابررسانای واقعی وجود دارد، میتواند پدیدار شود.
دستگاهی که نباید کار کند – اما کار میکند
در آزمایش جدید، دانشمندان یک ساختار لایهای ساخته شده از وانادیوم ابررسانا و آهن فرومغناطیس ساختند که توسط یک لایه عایق نازک اکسید منیزیم از هم جدا شده بودند.طبق عقل سلیم، این چیدمان نباید مانند یک اتصال جوزفسون رفتار کند. آهن ابررسانا نیست و فرومغناطیس معمولاً جفت شدن ظریف الکترون مورد نیاز برای ابررسانایی را سرکوب میکند.
با این حال، اندازهگیریهای الکتریکی داستان متفاوتی را بیان کردند. این تیم الگوهای جریان جریان را مشاهده کرد که با الگوهای یک اتصال جوزفسون معمولی مطابقت داشت.به نحوی، رفتار ابررسانایی وانادیوم از مانع عبور کرد و الکترونهای درون آهن را به اندازه کافی قوی سازماندهی کرد تا حرکت هماهنگ بین دو ماده ایجاد شود.
این یافته پیشبینیهای نظری طولانی مدت را تأیید میکند و قبلاً هرگز به صورت تجربی نشان داده نشده بود.
گوش دادن به نویز
شواهد کلیدی از تجزیه و تحلیل «نویز» الکتریکی به دست آمد. در حالی که جریان الکتریکی در مقیاس ماکروسکوپی صاف به نظر میرسد، در واقع از الکترونهای گسستهای تشکیل شده است که به صورت انفجارهای سریع وارد میشوند.الگوهای آماری این نوسانات، نحوه حرکت الکترونها و اینکه آیا آنها به طور مستقل یا در گروههای هماهنگ عمل میکنند را نشان میدهد.
در دستگاه وانادیوم-آهن، اندازهگیریهای نویز نشان داد که الکترونها در بستههای بزرگ و هماهنگ درون لایه آهن حرکت میکنند.این حرکت جمعی، مشخصه اتصالات جوزفسون و نشانگر قویای است که همبستگیهای ابررسانایی در جایی که کمتر انتظار میرفت، برقرار شدهاند.
آنچه این کشف را به ویژه قابل توجه میکند، نقش آهن است.ابررسانایی معمولاً به جفت الکترونهایی با اسپینهای مخالف متکی است، در حالی که فرومغناطیسهایی مانند آهن، الکترونهایی را که در یک جهت همسو شدهاند، ترجیح میدهند. این تمایلات متضاد معمولاً ناسازگار هستند.
این آزمایش نشان میدهد که آهن، شکل متفاوت و نامتعارفی از ابررسانایی را ایجاد کرده است که شامل جفت الکترونهای با اسپین یکسان است.حتی قابل توجهتر اینکه، این حالت القایی به اندازه کافی قوی بود تا از طریق مانع ارتباط برقرار کند و به طور مؤثر با وانادیوم جفت شود، گویی هر دو طرف ابررسانا هستند. پیامدهای فناوری کوانتومی
در صورت تأیید و اصلاح، این اتصال تک ابررسانای جوزفسون میتواند پیامدهای گستردهای داشته باشد.
از دیدگاه طراحی، کاهش تعداد اجزای ابررسانای مورد نیاز میتواند ساخت را ساده کرده و انتخاب مواد برای مدارهای کوانتومی را گسترش دهد.
این نتایج همچنین ممکن است بر تحقیقات در مورد ابررساناهای توپولوژیکی تأثیر بگذارد، که به دلیل مقاومتشان در برابر نویز محیطی – یک مانع بزرگ در محاسبات کوانتومی – ارزشمند هستند.
جفت شدن اسپین یکسان میتواند به تثبیت اطلاعات کوانتومی رمزگذاری شده در اسپینهای الکترون کمک کند و به طور بالقوه کیوبیتها را قابل اعتمادتر سازد.
یکی دیگر از جنبههای جذاب، کاربردی بودن است. آهن و اکسید منیزیم در حال حاضر به طور گسترده در فناوریهای تجاری مانند هارد دیسکها و حافظه دسترسی تصادفی مغناطیسی استفاده میشوند.افزودن یک عنصر ابررسانا میتواند به دستگاههای هیبریدی منجر شود که عملکرد کوانتومی را با تکنیکهای تولید موجود ترکیب میکنند.
در حالی که سوالاتی در مورد مکانیسمهای دقیق در محل کار باقی مانده است، این مطالعه فصل جدیدی را در تحقیقات اتصال جوزفسون میگشاید.
با نشان دادن اینکه همگامسازی ابررسانایی میتواند در مکانهای غیرمنتظرهای رخ دهد، دانشمندان ممکن است مسیری سادهتر و همهکارهتر را به سمت نسل بعدی رایانههای کوانتومی کشف کرده باشند.
