تیم اسرائیلی-ژاپنی ذرات کوانتومی یافتند که “حالت‌های گذشته را به خاطر می‌سپارند

اورشلیم، ۱۵ ژانویه ۲۰۲۶ (TPS-IL) — پیشرفت علمی اسرائیلی-ژاپنی در ذرات کوانتومی، علم را یک گام به رایانه‌های کوانتومی قابل اعتماد نزدیک‌تر می‌کند. تیمی از دانشمندان مؤسسه وایزمن اسرائیل و مؤسسه ملی علوم مواد ژاپن ذراتی را یافتند که می‌توانند آنچه را که در تعاملات کوانتومی قبلی رخ داده است «به خاطر بسپارند».

این تحقیق بر روی آنیون‌های غیرآبلی، ذرات کوانتومی خارق‌العاده‌ای که در مواد بسیار نازک تحت شرایط شدید ظاهر می‌شوند، تمرکز داشت و این ذرات می‌توانند با «به خاطر سپردن» ترتیبی که در اطراف یکدیگر حرکت می‌کنند، اطلاعات را ذخیره کنند و آن‌ها را به بلوک‌های سازنده امیدوارکننده برای رایانه‌های کوانتومی مقاوم در برابر خطا تبدیل کنند.

این مطالعه که در مجله علمی داوری‌شده نیچر منتشر شد، شواهدی از آنیون‌های غیرآبلی در گرافن دولایه، ماده‌ای ساخته شده از دو لایه بسیار نازک اتم‌های کربن، نشان داد.

دکتر یوآوال رونن، رئیس تیم تحقیق، گفت: «برای اولین بار، ما شواهد تجربی از ذراتی داریم که مانند آنیون‌های غیرآبلی رفتار می‌کنند. این تحقیق ما را یک گام دیگر به ساخت رایانه‌های کوانتومی که تحمل‌پذیر خطا هستند و فراتر از آزمایش‌های تحقیقاتی محدود مفیدترند، نزدیک‌تر می‌کند.»

آنیون‌ها اولین بار در دهه ۱۹۸۰ پیش‌بینی شدند، اما تنها «آنیون‌های آبلی» ساده‌تر مشاهده شده بودند. آنیون‌های غیرآبلی پیچیده‌تر هستند: آن‌ها نه تنها یک ویژگی کوانتومی به نام تابع موج را هنگام تعویض تغییر می‌دهند، بلکه شکل آن را نیز تغییر می‌دهند که حافظه اقدامات قبلی را کدگذاری می‌کند.

رایانه‌های کوانتومی از کیوبیت‌ها استفاده می‌کنند که می‌توانند همزمان در چندین حالت وجود داشته باشند. این به آن‌ها پتانسیل حل مسائلی را می‌دهد که رایانه‌های امروزی قادر به انجام آن نیستند. اما کیوبیت‌ها بسیار شکننده هستند: اختلالات جزئی می‌تواند اطلاعاتی را که در خود دارند از بین ببرد. آنیون‌های غیرآبلی می‌توانند این مشکل را حل کنند زیرا اطلاعات را در کل سیستم ذرات ذخیره می‌کنند نه در یک ذره واحد، و آن‌ها را بسیار کمتر به خطا حساس می‌کنند.

رونن توضیح داد: «تعویض آنیون‌های غیرآبلی اثری در تابع موج سیستم باقی می‌گذارد. اگر سه تا از این ذرات را به یک ترتیب تعویض کنیم، نتیجه متفاوتی نسبت به زمانی که آن‌ها را به ترتیب دیگری تعویض کنیم، به دست می‌آوریم. این توانایی به خاطر سپردن توالی دقیقاً همان چیزی است که به آن‌ها اجازه ذخیره اطلاعات را می‌دهد.»

برای مطالعه این ذرات، تیم آن‌ها را در مسیرهای حلقوی دقیق در گرافن دولایه هدایت کرد و الگوهای حاصل در مقاومت الکتریکی را اندازه‌گیری کرد – روشی که از یک آزمایش نور قرن نوزدهم الهام گرفته شده بود. به طرز شگفت‌انگیزی، دانشمندان دریافتند که ذرات به جای یک چهارم بار مورد انتظار، نیمی از بار الکترون را حمل می‌کنند، که نشان می‌دهد دو آنیون غیرآبلی با هم در حال حرکت بوده‌اند.

دکتر رونن گفت: «ما هنوز نتوانسته‌ایم آن‌ها را جدا کنیم، اما این یک گام مهم به سوی مشاهده مستقیم این ذرات است. چالش بعدی این است که دقیقاً ببینیم چگونه هر ترتیب از تبادلات ذرات یک امضای منحصر به فرد تولید می‌کند. این ما را به رایانه‌های کوانتومی تحمل‌پذیر خطا نزدیک‌تر می‌کند.»

بر اساس گفته محققان، حتی ذخیره وضعیت تنها ۳۰۰ کیوبیت نیازمند یک کامپیوتر کلاسیک برای به خاطر سپردن بیش از ۳۴ کوئینتیلیون عدد است، که نشان‌دهنده پتانسیل فوق‌العاده این ذرات برای آینده محاسبات است.

اگر آنیون‌های غیرآبلی به طور کامل مهار شوند، می‌توانند رایانه‌های کوانتومی را بسیار قدرتمندتر و قابل اعتمادتر کنند. آن‌ها می‌توانند مسائلی را حل کنند که برای کامپیوترهای کلاسیک غیرممکن است، از پیش‌بینی واکنش‌های شیمیایی برای داروها و مواد جدید گرفته تا بهبود پیش‌بینی‌های آب و هوا. آن‌ها همچنین می‌توانند با انواع جدیدی از رمزگذاری، امنیت سایبری را تقویت کرده و با آشکار کردن رفتارهای کوانتومی جدید، علم بنیادی را پیش ببرند.