ฟิสิกส์ควอนตัมกำลังเปลี่ยนจากทฤษฎีสู่เครื่องจักร
คอมพิวเตอร์ควอนตัมคือแนวคิดของเครื่องคำนวณที่ใช้กฎฟิสิกส์ควอนตัมในการประมวลผลข้อมูล โดยอาศัยสถานะซ้อนทับและการพัวพันของอนุภาคเพื่อทำงานหลายอย่างพร้อมกันในระดับอะตอม เป้าหมายคือสร้างระบบที่คำนวณปัญหาซับซ้อนเร็วกว่าเครื่องดิจิทัลทั่วไปอย่างมหาศาล แต่ต้องควบคุมสถานะควอนตัมที่เปราะบางและลดการสูญเสียพลังงานให้ใกล้ขีดจำกัดที่ฟิสิกส์อนุญาต
มุมมองสำคัญวันนี้คือ ฟิสิกส์ควอนตัมไม่ได้ติดอยู่ในห้องทดลองเชิงทฤษฎีอีกต่อไป วิทยาศาสตร์ควอนตัมกำลังผลักขีดจำกัดเดิมของสภาพนำยิ่งยวดและการจัดระเบียบอนุภาคในระดับอะตอมให้แตกออก เพื่อปูทางสู่เทคโนโลยีควอนตัมที่ใช้งานได้จริงในอนาคตใกล้กว่าที่เราคิด การค้นพบใหม่ตั้งแต่การควบคุมวอร์เท็กซ์ในตัวนำยิ่งยวดไปจนถึงสถานะควอนตัมแบบแปลกอย่าง fractional Fermi sea กำลังบอกเราว่า ปัญหาหลักของคอมพิวเตอร์ควอนตัมเรื่องการควบคุมสถานะและการใช้พลังงานกำลังถูกไล่บี้อย่างเป็นรูปธรรม
ทางด่วนควอนตัมสูงหนึ่งอะตอมกับการควบคุมสภาพนำยิ่งยวด
หัวใจของสภาพนำยิ่งยวดคือการนำกระแสไฟโดยไม่มีความต้านทาน แต่ในโลกจริงตัวนำยิ่งยวดเต็มไปด้วยวอร์เท็กซ์ควอนตัมที่เคลื่อนที่แล้วสร้างความต้านทานกลับมา การควบคุมการเคลื่อนที่ของวอร์เท็กซ์จึงเป็นศิลปะสำคัญของฟิสิกส์ควอนตัมเชิงประยุกต์ นักวิจัยที่ศูนย์วิจัยวัสดุนาโนสถาปัตยกรรมค้นพบว่า ขั้นผิววัสดุที่สูงเพียงหนึ่งอะตอมสามารถทำหน้าที่เหมือนรางรถไฟจิ๋ว นำทางการเคลื่อนที่ของวอร์เท็กซ์ในตัวนำยิ่งยวดบางเฉียบได้ ภายใต้เงื่อนไขบางอย่าง วอร์เท็กซ์เคลื่อนที่ตามแนวขั้นอะตอมได้ง่ายกว่าแนวตั้งฉากมากกว่า 1,000 เท่า ซึ่งเป็นระดับการควบคุมทิศทางที่น่าตกใจ
การทดลองใช้กล้องสแกนหัวเข็มระดับอะตอมยืนยันว่าขั้นผิวเรียงตัวเป็นแถวและวอร์เท็กซ์ไปเกาะอยู่ตามแนวขั้นเหล่านั้นโดยตรง ที่อุณหภูมิต่ำสุด นักวิจัยยังเห็นผลของ quantum tunneling ที่วอร์เท็กซ์ทะลุผ่านกำแพงพลังงานที่ตามฟิสิกส์คลาสสิกควรจะขวางไว้ นี่คือการแสดงให้เห็นว่าหากเราออกแบบพื้นผิวตัวนำยิ่งยวดในระดับอะตอมได้ดี เราสามารถสร้างโครงสร้างคล้ายทางด่วนควอนตัมเพื่อกำหนดเส้นทางของวอร์เท็กซ์และการไหลของความร้อนในวงจรสภาพนำยิ่งยวดในอนาคต การประยุกต์ใช้ยังต้องพัฒนาอีกมาก แต่ทิศทางชัดเจนว่าเทคโนโลยีควอนตัมกำลังได้เครื่องมือใหม่ในการควบคุมพฤติกรรมควอนตัมอย่างละเอียด
บิตหน่วยความจำสภาพนำยิ่งยวดใกล้ขีดจำกัดฟิสิกส์แต่ชนกำแพงความเย็น
อีกด้านหนึ่งของสมรภูมิเทคโนโลยีควอนตัมคือการลดพลังงานที่ใช้ต่อการลบหนึ่งบิตลงให้ใกล้ขีดจำกัดตามกฎ Landauer ซึ่งนิยามไว้ตั้งแต่ปี 1961 ว่าต่ำสุดคือ kT ln 2 และที่อุณหภูมิห้องเท่ากับประมาณ 2.9 เซปโตจูลต่อบิต นักฟิสิกส์จาก Hebrew University of Jerusalem ประเมินว่าบิตหน่วยความจำที่สร้างจากวอร์เท็กซ์สภาพนำยิ่งยวดหนึ่งตัวสามารถทำงานใกล้ขีดจำกัดนี้ได้ในระดับประมาณห้าเท่า โดยใช้อุณหภูมิ 4.2 เคลวินหรือราวลบ 269 องศาเซลเซียสในฟิล์มไนโอเบียมหนา 55 นาโนเมตรที่ถูกแพตเทิร์นเป็นแถบกว้าง 10 ไมโครเมตร
ทีมวิจัยใช้กระแสตรงกวาดผ่านแถบเพื่อดันวอร์เท็กซ์ไปติดตำแหน่งพักสองจุดที่อยู่ห่างกันเพียงไม่กี่นาโนเมตร ทำให้ซ้ายหรือขวากลายเป็นค่าศูนย์หรือหนึ่ง จากนั้นใช้กระแสสลับเขย่าและตรวจการเคลื่อนที่ด้วยเซ็นเซอร์ SQUID-on-tip เพื่อวัดพลังงานที่สูญเสียในแต่ละรอบ ผลที่ได้คือบิตที่ใกล้ขีดจำกัดฟิสิกส์อย่างน่าทึ่ง แต่ต้องแลกด้วยการทำงานที่ความถี่ประมาณ 150 กิโลเฮิรตซ์ หรือหนึ่งปฏิบัติการทุก 6.7 ไมโครวินาที ในขณะที่ชิปตรรกะสภาพนำยิ่งยวดเคยถูกขับที่ 6 กิกะเฮิรตซ์มาก่อน ที่สำคัญ ค่าใช้พลังงานที่ประกาศไม่รวมต้นทุนการทำความเย็นด้วยฮีเลียมเหลว ซึ่งอาจทำให้ความได้เปรียบด้านประสิทธิภาพหดตัวลงอย่างมากเมื่อมองจากปลั๊กไฟบ้าน
fractional Fermi sea การจัดระเบียบใหม่ของอนุภาคในโลกควอนตัม
ขณะที่ฝั่งสภาพนำยิ่งยวดกำลังไล่ขีดจำกัดด้านพลังงาน นักฟิสิกส์อีกกลุ่มหนึ่งกำลังเขย่ากฎการจัดระเบียบอนุภาคในระดับควอนตัม งานวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสาร Physical Review Letters โดยกลุ่มของ Hanns-Christoph Nägerl ร่วมกับ Alvise Bastianello จาก CNRS และ Université Paris-Dauphine แสดงวิธีสร้างสถานะควอนตัมแบบใหม่ที่เรียกว่า fractional Fermi sea พวกเขาผลักอะตอมซีเซียมเย็นจัดให้ออกจากสภาวะปกติด้วยการปรับแรงดึงดูดและผลักกันของอะตอมไปมาระหว่างแรงผลักแรงดึงสุดขั้วอย่างต่อเนื่องในระบบเชิงหนึ่งมิติที่อนุญาตให้อนุภาคเคลื่อนที่ได้เพียงทิศทางเดียว
โดยปกติ เฟอร์มิออนอย่างอิเล็กตรอนจะจัดเรียงตัวตามกฎที่ไม่ให้หลายอนุภาคอยู่ในสถานะควอนตัมเดียวกัน ทำให้เกิดสิ่งที่เรียกว่า Fermi sea เมื่ออุณหภูมิต่ำมาก แต่เมื่อทีมวิจัยบังคับให้อะตอมซีเซียมโต้ตอบกันแบบสลับแรงผลักแรงดึงอย่างรุนแรงซ้ำไปมา การคำนวณเผยให้เห็นพฤติกรรมที่ไม่คาดคิด อนุภาคไม่ได้กระจายตัวอย่างไร้ระเบียบ หากแต่จัดเรียงเป็นรูปแบบใหม่ที่ดูเหมือนทำตามกฎการครอบครองสถานะควอนตัมแบบดัดแปลง จึงถูกเรียกว่า fractional Fermi sea งานนี้เปิดแนวหน้าใหม่ในวิทยาศาสตร์ควอนตัมและแสดงพลังของการจำลองควอนตัมที่ใช้ระบบควอนตัมที่ควบคุมได้ดีเพื่อสำรวจพฤติกรรมของสสารในสภาวะสุดขั้วที่สร้างขึ้นยากด้วยวิธีอื่น
เส้นทางข้างหน้าของเทคโนโลยีควอนตัมและคอมพิวเตอร์ควอนตัม
เมื่อมองภาพรวม สามงานวิจัยนี้กำลังบอกเราว่าโลกของฟิสิกส์ควอนตัมกำลังขยับจากการตั้งคำถามเชิงทฤษฎีไปสู่การออกแบบเครื่องมือและองค์ประกอบของวงจรจริง การควบคุมวอร์เท็กซ์ในสภาพนำยิ่งยวดด้วยขั้นอะตอมสูงหนึ่งอะตอมเปิดโอกาสให้จัดการทั้งการเคลื่อนที่ของวอร์เท็กซ์และการไหลของความร้อนในเทคโนโลยีสภาพนำยิ่งยวดรุ่นใหม่ที่ใช้พลังงานน้อยลง บิตหน่วยความจำสภาพนำยิ่งยวดที่ใกล้ขีดจำกัด Landauer แสดงให้เห็นว่าการออกแบบวงจรที่เข้าใกล้ขีดจำกัดฟิสิกส์เป็นไปได้จริง แม้จะยังติดข้อจำกัดด้านอุณหภูมิและความถี่การทำงาน รวมถึงต้นทุนการทำความเย็นที่ยังไม่ถูกนับรวม
ในอีกด้าน fractional Fermi sea เปิดวิธีคิดใหม่เกี่ยวกับการจัดระเบียบของสสารควอนตัมเมื่อถูกผลักออกจากสภาวะสมดุลอย่างรุนแรง และชี้ให้เห็นว่าการจำลองควอนตัมสามารถเป็นเครื่องมือสำคัญในการออกแบบวัสดุและสถานะควอนตัมที่เหมาะกับงานเฉพาะ เช่น การสร้างช่องเก็บข้อมูลหรือช่องสัญญาณที่เสถียรในคอมพิวเตอร์ควอนตัมในอนาคต อย่างไรก็ตาม เส้นทางสู่คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้งานได้จริงยังเต็มไปด้วยอุปสรรคด้านวิศวกรรม ตั้งแต่การรักษาอุณหภูมิต่ำระดับฮีเลียมเหลวไปจนถึงการขยายระบบให้รองรับบิตจำนวนมากโดยไม่สูญเสียความได้เปรียบด้านพลังงาน งานวิจัยเหล่านี้ไม่ได้ให้คำตอบทั้งหมด แต่กำลังวาดแผนที่ที่ชัดขึ้นว่าควรเดินไปทางไหนหากเราต้องการให้เทคโนโลยีควอนตัมหลุดจากห้องทดลองไปสู่โลกการใช้งานจริง
