مقدمة

تُعد الدوائر الكمومية فائقة التوصيل في الوقت الراهن من أكثر المنصات الواعدة لمعالجة المعلومات الكمومية والمحاكاة الكمومية. فقد أظهرت الحواسيب الكمومية فائقة التوصيل تحقيق "تفوق كمومي" ، وهو إنجاز مهم نحو الحوسبة الكمومية واسعة النطاق والقابلة لتصحيح الأخطاء . ومع ذلك، لا تزال عملية تهيئة الكيوبتات بسرعة ودقة، والتي تُعد ضرورية مثلًا لتصحيح الأخطاء الكمومية بكفاءة، تمثل تحديًا. وتزداد أهمية ذلك في المعالجات متعددة الكيوبتات، حيث تتناقص دقة تهيئة النظام ككل أُسِّيًا مع عدد الكيوبتات، إذا كانت دقة تهيئة الكيوبت الواحد ثابتة. الطريقة البسيطة لتهيئة الكيوبت هي تبريد النظام إلى درجات حرارة الميلي كلفن والانتظار حتى يعود إلى حالته الأرضية. إلا أن أعمار الكيوبتات فائقة التوصيل الحديثة تصل إلى عشرات أو مئات الميكروثواني ، مما يجعل هذه الطريقة غير عملية من ناحية الأداء. لذا، هناك حاجة لبروتوكولات إعادة ضبط نشطة تتجنب هذا القيد بطبيعتها.

العديد من بروتوكولات التهيئة النشطة الحالية خاصة بأنظمة معينة وتعمل فقط على المستويات المثارة الدنيا أو القليلة من النظام، مما يجعلها عرضة لأخطاء التسرب خارج الحيز الحسابي. أما مفهوم مبرد الدوائر الكمومية (QCR) ، الذي يشكل بيئة واسعة النطاق يمكن التحكم فيها بالجهد للأنظمة الكمومية، فيتيح تجاوز مشكلات السرعة والدقة والإثارات العالية المذكورة أعلاه.

يتكون QCR من وصليتين من نوع معدن عادي–عازل–موصل فائق (NIS) مع انحياز جهدي خارجي، حيث يتم توصيل جزيرة المعدن العادي سعويًا بالنظام المراد تبريده. أثناء عملية النفق الإلكتروني بين أقطاب الموصل الفائق وجزيرة المعدن العادي، يمكن لـ QCR امتصاص أو إصدار فوتونات من أو إلى بقية الدائرة، وبالتالي تغيير درجة حرارتها فعليًا، كما هو موضح في الشكل 1. عند جهود انحياز منخفضة \(|e V_\mathrm{QCR}| < 2 \Delta\)، حيث \(\Delta\) هو معامل فجوة الموصل الفائق، يكون امتصاص الفوتونات غالبًا على الإصدار بسبب مبدأ باولي والفجوة في كثافة الحالات للموصل الفائق. لذا، يعمل QCR كبيئة ذات درجة حرارة منخفضة للدائرة، حتى نصف درجة حرارة الإلكترونات في المعدن العادي. وتتيح الفجوة في كثافة الحالات للموصل الفائق وانخفاض درجة حرارة الإلكترونات إمكانية ضبط معدل التخميد الناتج عن QCR على الدائرة الكمومية المرتبطة به بعدة مراتب عبر الجهد بين أقطاب الموصل الفائق في QCR. وبالتالي، عند انحياز قريب من \(2 \Delta/e\)، يمكن تنفيذ التبريد الكمومي للدوائر خلال زمن قصير جدًا يصل إلى نانوثواني واحد ، بينما عند انحياز معدوم يكون QCR شبه منفصل عن النظام.

ميزة أخرى لـ QCR هي تعدد استخداماته. يمكن استخدامه لتبريد أنظمة متنوعة، بما في ذلك الكيوبتات ، والرنانات ، والأنظمة الخطية وغير الخطية متعددة العناصر كما في الشكل 1، وحتى الأنظمة الموزعة.

في هذا العمل، نستعرض أحدث النتائج التجريبية والنظرية حول QCR. في القسم 2، نسلط الضوء على تجارب نقل الحرارة المحدود كموميًا بواسطة الفوتونات الميكروويفية عبر مسافات كبيرة. وقد أدت هذه التجارب إلى اختراع QCR رغم أن النفق الإلكتروني بمساعدة الفوتونات لم يكن ذا أهمية كبيرة حينها. وتتناول الأقسام التالية QCR المتصل برنان، بما في ذلك إعادة ضبط الرنان (القسم 3)، وانزياح لامب (القسم 4)، والتخميد السريع القابل للضبط (القسم 5)، والنقاط الاستثنائية المرتبطة بذلك (القسم 6)، وتشغيل QCR في نطاق الترددات الراديوية (القسم 7). كما ندرس نظام الجهد العالي لـ QCR في القسمين 8 و9 لتوليد الفوتونات والتضخيم. في القسم 10، نقدم الخلفية النظرية لـ QCR، بينما يوفر القسم 11 ملخصًا وآفاق البحث.

انتقال الحرارة المحدود كموميًا

في هذا القسم، نناقش استخدام النفق الإلكتروني المرن عبر وصلات NIS لدراسة انتقال الحرارة المحدود كموميًا في خط نقل ميكروويفي فائق التوصيل. وقد تم الإبلاغ عن هذه النتائج في المرجع . من المهم الإشارة إلى أن النفق الإلكتروني المرن عبر وصلات NIS يمكن استخدامه كمبرد وسخان لإثارات الإلكترونات في قطب المعدن العادي . علاوة على ذلك، يمكن أن تعمل وصلات NIS أيضًا كميزان حرارة in situ لقياس درجة حرارة الإلكترونات في المعدن العادي . يتكون الجهاز التجريبي من خط نقل ميكروويفي مشترك فائق التوصيل متصل بالأرض عند كلا الطرفين عبر مقاومات أو جزر معدنية عادية، كما هو موضح في المخطط في الشكل 2ب. طول خط النقل في التجربة هو 20 سم أو 1 متر وله بنية حلزونية.

على عكس التجارب التي نناقشها في الأقسام التالية، هنا يكون النفق الإلكتروني بمساعدة الفوتونات (أي النفق غير المرن) ذا أهمية ضئيلة بسبب التوافق الجيد للمقاومات النهائية مع الممانعة. لذا، بدلاً من بيئة QCR، تظهر الجزر المعدنية العادية ببساطة كمقاومات أومية للفوتونات في خط النقل. في الواقع، تعمل المقاومات المتوافقة مع الممانعة عند درجة حرارة إلكترونية غير صفرية كمشعات جسم أسود أحادية البعد، تمتص جميع الفوتونات الداخلة وتصدر المزيد من الفوتونات إلى خط النقل كلما ارتفعت حرارتها. تؤدي هذه الآليات إلى تبادل حراري بين المقاومات عبر خط النقل.

النموذج الحراري المبسط للنظام موضح في الشكل 2أ. من الجدير بالذكر أن الجزيرة A عند درجة حرارة \(T_\textrm{A}\) على اتصال حراري بحمام الفونونات عند درجة حرارة \(T_0\) بسبب اقتران الإلكترون–الفونون (\(G_\textrm{A0}\)). كما يمكن للجزيرة A تبادل الحرارة مع الجزيرة B عند درجة حرارة \(T_\textrm{B}\) عبر القناة الفوتونية على خط النقل (\(G_\textrm{AB}\)). في الحالة المثالية، يصل التوصيل الحراري الفوتوني إلى الحد الأعلى النظري لقناة واحدة، وهو كم التوصيل الحراري [\(G_\textrm{AB} \approx G_\textrm{Q} = \pi k_\textrm{B} T_0/(6\hbar)\)] للفروق الحرارية الصغيرة \(T_0 \approx T_\textrm{A} \approx T_\textrm{B}\). بالإضافة إلى ذلك، يصل تدفق حراري ثابت بقوة \(P_\textrm{const}\) إلى الجزيرة A. في الحالة المستقرة، يجب أن يكون مجموع التدفقات الحرارية الداخلة والخارجة من الجزيرة A متساويًا. وبالتالي، نحصل على معادلة للاعتماد التفاضلي لدرجة الحرارة \(\frac{dT_\textrm{A}}{dT_\textrm{B}} = \frac{1}{1 + a T_0^3}\)، حيث \(a\) هو ثابت محدد مسبقًا يعتمد فقط على المادة والهندسة للجزيرة المعدنية. يزداد هذا الاعتماد التفاضلي مع انخفاض درجة حرارة الحمام، وهو مؤشر واضح على انتقال الحرارة عبر القناة الفوتونية نظرًا لاعتماده الأضعف على درجة الحرارة مقارنة باقتران الإلكترون–الفونون. تؤكد النتائج التجريبية هذا الازدياد، مما يدل على انتقال حراري فوتوني فعال جدًا، كما في الشكل 2ج.

يُعد كم التوصيل الحراري حدًا أعلى عالميًا مستقلًا عن الإحصاء لقناة واحدة ، وقد لوحظ في أنظمة متعددة . كانت التجربة التي نناقشها هنا الأولى التي تحقق ذلك عبر مسافة ماكروسكوبية.