پیشرفت در محاسبات کوانتومی به‌وسیله یک روش خصوصیت‌سنجی جدید

محققان از بیش از دو دهه قبل، پس از اینکه ریچارد فاینمن(فیزیک‌دان و برنده
جایزه نوبل فیزیک) برای نخستین بار نظریه محاسبات کوانتومی را مطرح کرد، تلاش
کرده‌اند تا چنین رایانه‌ای را بسازند. در یکی از روش‌های مطرح‌شده، از
ابزارهای ابررسانا استفاده می‌گردد. این ابزارها پس از سرد سدن که تا دماهای
نزدیک صفر مطلق، می‌توانند رفتاری مشابه با اتم‌های مصنوعی داشته باشند. این
اتم‌ها جعبه‌های نانومقیاسی هستند که در آنها الکترون‌ها مجبورند تا در ترازهای
انرژی ویژه و گسسته‌ای قرار گیرند؛ اما بنا به اظهارات ویلیام اولیور از
آزمایشگاه لینکلنِ MIT، روش‌های علمی معمولی‌ که برای خصوصیت‌سنجی و متعاقباً
شناخت بهتر اتم‌ها و مولکول‌ها ارائه شده‌اند، همیشه به‌آسانی به اتم‌های
مصنوعی تعمیم داده نمی‌شوند. به‌تازگی اولیور و همکارانش روشی ابداع کرده‌اند
که می‌تواند این خلأ را پر نماید. این روش، طیف‌نمایی دامنه‌ای(amplitude
spectroscopy) نامیده می‌شود.

اتم‌های مصنوعی ترازهای انرژی‌ای دارند که متناظر با باریکه بسیار پهنی از
بسامدهاست. پهنای این باریکه می‌تواند به ده‌ها تا صدها گیگاهرتز برسد و به
همین دلیل اعمال روش‌های استاندارد طیف‌نمایی برای این اتم‌ها پرهزینه و دشوار
است. در روش مکملی که این گروه ابداع کرده‌اند، می‌توان خصوصیات موجودات
کوانتومی را در محدوده فوق‌العاده وسیعی از بسامدها بررسی کرد. اولیور عنوان
کرد که این شیوه برای مطالعه خصوصیات اتم‌های مصنوعی بسیار مناسب است.

هر اتم مصنوعی می‌تواند به‌عنوان یک بیت کوانتومی عمل نماید و در یک زمان در
چندین تراز انرژی مختلف قرار گیرد؛ به عبارت دیگر حالت چنین اتمی همانند
کلیدهای الکترونیکی‌ای که در رایانه‌های معمولی استفاده می‌شوند، با صفر یا یک
تعیین نمی‌گردد؛ بلکه اتم می‌تواند در برهم‌نهشی(ترکیبی) از هر دو حالت(با
احتمال‌های مختلف) قرار داشته باشد. این رفتار عجیب که به ماهیت کوانتومی مواد
در سطح اتمی مربوط می‌شود، محاسبات کوانتومی را به‌عنوان یک پیشرفت انقلابی در
حوزه محاسبات رایانه‌ای مطرح ساخته‌است.

در طیف‌نمایی دامنه‌ای با استفاده از بررسی پاسخ یک اتم مصنوعی ابررسانا نسبت
به یک بسامد منفرد و ثابت، اطلاعات مربوط به اتم‌ گردآوری می‌گردد. انتخاب این
بسامد به گونه‌ای است که برای اتم «بی‌خطر» باشد. این فرایند، اتم را به
گذارهای ترازهای انرژی وارد می‌سازد و به عبارت دیگر، اتم‌های تحت بررسی
می‌توانند از طریق تنظیم دامنه چشمه بسامد ثابت، بین دو باندِ انرژی مختلف،
گذار(جهش) داشته باشند. عملاً محدودیتی برای نرخ این گذارها وجود ندارد.

تابش منتشرشده از طریق اتم مصنوعی در پاسخ به این بسامد، دارای الگوهای تداخلی
است. این الگوها(که اولیور آنها را «الماس‌های طیف‌نمایی» می‌نامد) به‌دلیل
برخورداری از نظم هندسی قابل ‌توجه، اثر انگشت‌های طیف انرژی یک اتم مصنوعی
محسوب می‌گردند.