دانشمندان سرانجام راهی را برای پایدارتر و منسجم‌تر کردن سیستم‌های کوانتومی با استفاده از مغناطیس کوانتومی توپولوژیکی پیدا کرده‌اند.

به گزارش ایسنا، چالش بزرگی که دانشمندان در ساختن سیستم‌های کوانتومی با آن روبه‌رو هستند، محافظت از آنها در برابر تأثیر عوامل محیطی بیرونی مانند نوسانات دما، ارتعاشات و تداخل الکترومغناطیسی است.

به نقل از آی‌ای، شکل‌گیری چالش پیش رو به این دلیل است که هر زمان سیستم‌های کوانتومی با محیط بیرونی خود تعامل داشته باشند، ویژگی‌های کوانتومی خود را از دست می‌دهند و مانند یک سیستم کلاسیک رفتار می‌کنند. این پدیده موسوم به «ناهمدوسی»، از حفظ حالت کوانتومی کیوبیت‌ها جلوگیری می‌کند.

ناهمدوسی یک مانع بزرگ بر سر راه کاربردهای کوانتومی است. به همین دلیل، یک گروه پژوهشی تلاش کرده‌اند تا یک راه حل را برای این مشکل ارائه دهند. پژوهشگران در این پروژه، یک ماده کوانتومی مصنوعی را با خاصیت مغناطیس کوانتومی توپولوژیکی ابداع کردند.

«خوزه لادو»(Jose Lado) دانشیار «دانشگاه آلتو»(Aalto University) در فنلاند و از پژوهشگران این پروژه گفت: برانگیختگی‌های کوانتومی توپولوژیکی مانند مواردی که در آهن‌ربای کوانتومی توپولوژیکی ما وجود دارند، می‌توانند محافظت قابل‌ توجهی را در برابر ناهمدوسی داشته باشند. در نهایت، حفاظت ارائه‌شده توسط این برانگیختگی‌های عجیب می‌توانند به ما کمک کنند تا بر برخی از مهم‌ترین چالش‌های کنونی کیوبیت‌های در دسترس غلبه کنیم.

آهن‌رباهای کوانتومی مواد خاصی هستند که ویژگی‌های مغناطیسی آنها رفتارهای کوانتومی عجیبی را نشان می‌دهند. چنین رفتارهایی معمولا فقط در سطح کوچک و اتمی مشاهده می‌شود. به عنوان مثال، حالت‌های مغناطیسی متفاوتی می‌توانند به طور همزمان در چنین موادی وجود داشته باشند؛ مشابه اینکه یک کیوبیت برهم‌نهی حالت‌ها را به نمایش می‌گذارد و می‌تواند به طور همزمان ۰ و ۱ را نشان دهد.

آهن‌رباهای کوانتومی توپولوژیکی، مواد پیشرفته‌ای هستند که رفتار کوانتومی را از خود نشان می‌دهند. علاوه بر این، اسپین‌های مغناطیسی ذرات آنها به گونه‌ای مرتب شده‌اند که حالت‌های توپولوژیکی پایدار و قوی را ایجاد می‌کنند. این حالت‌های توپولوژیکی در برابر هر گونه اختلال بیرونی مقاوم هستند. علاوه بر این، اسپین‌های موجود در این مواد می‌توانند در هم پیچیده شوند. این بدان معناست که آنها در سطح کوانتومی عمیقا به هم متصل هستند و به همین دلیل، به راحتی خواص کوانتومی خود را از دست نمی‌دهند.

پژوهشگران در مقاله این پژوهش نوشتند: آزمایش‌ها تاکنون بیشتر به بررسی حالت‌های توپولوژیکی غیر متقابل پرداخته‌اند و تحقق فازهای توپولوژیکی چند جسمی در حالت جامد با وضوح اتمی همچنان چالش‌برانگیز باقی مانده است.

پژوهشگران در این پروژه، یک ماده کوانتومی مصنوعی را با استفاده از تیتانیوم مغناطیسی و بستر اکسید منیزیم ابداع کردند. آنها توانستند اتم‌های این ماده کوانتومی را مهندسی و تنظیم کنند تا حالت‌های کوانتومی جدیدی از ماده ایجاد شود.

پژوهشگران برای ایجاد برانگیختگی‌های توپولوژیکی در مواد کوانتومی، اتم‌ها را با یک سوزن فلزی تیز فشار دادند. این کار باعث برانگیختن اتم‌ها شد و تغییراتی را در گشتاور مغناطیسی آنها ایجاد کرد که برانگیختگی‌های توپولوژیکی را با انسجام بیشتر در پی داشت.

این آزمایش، ماده کوانتومی مصنوعی را به آهن‌رباهای کوانتومی توپولوژیکی مقاوم در برابر اختلال محیط بیرونی تبدیل کرد. لادو گفت: برانگیختگی در آهن‌رباهای کوانتومی توپولوژیکی دارای خواص بسیار متفاوتی نسبت به آهن‌رباهای معمولی است و می‌تواند به ما امکان دهد تا پدیده‌های فیزیکی جدیدی را ایجاد کنیم که فراتر از توانایی‌های مواد کوانتومی کنونی هستند.

این پژوهش در مجله «Nature Nanotechnology» به چاپ رسید.