کنترل نقاط کوانتومی سه‌تایی در یک نیمه‌رسانای اکسید روی
توسط دانشگاه توهوکو
کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند برخی محاسبات را به‌صورت نمایی سریع‌تر از رایانه‌های کلاسیک حل کنند، اما برای به‌کارگیری عملی این فناوری، تحقیق بیشتری به‌طور جدی ضروری است. این کامپیوترها از واحد بنیادی اطلاعاتی به‌نام بیت‌های کوانتومی (qubits) بهره می‌برند؛ همان‌گونه که رایانه‌های کلاسیک از سیستم باینری صفر و یک استفاده می‌کنند، اما با گزینه‌های بسیار بیشتر.
با این حال، برای عملکرد کامپیوترهای کوانتومی به تعداد زیادی بیت کوانتومی نیاز است. تحقیق دربارهٔ نقاط کوانتومی — ساختارهای نانو با ویژگی‌های خاص که می‌توانند به‌عنوان بیت‌های کوانتومی عمل کنند — برای غلبه بر این مانع حیاتی است.
پیشرفت در کنترل نقاط کوانتومی
پژوهشگران در مؤسسه پیشرفتهٔ تحقیقات مواد (WPI‑AIMR) دانشگاه توهوکو، گامی مهم به سمت تجسیم فناوری‌های پردازش اطلاعات کوانتومی نسل آینده برداشته‌اند. این مطالعه در Scientific Reports منتشر شده است.
تیم تحقیقاتی موفق شد نقاط کوانتومی سه‌تایی را در اکسید روی (ZnO) — یک نیمه‌رسانای اکسید با همگنی اسپین خوب و هم‌بستگی الکترونی قوی — به‌صورت الکتریکی ایجاد و کنترل کند. اگرچه نقاط کوانتومی تک‌تایی و دو‌تایی در ZnO پیش از این نشان داده شده‌اند، گسترش به چندین نقطه قابل کنترل تا به امروز چالشی بزرگ باقی مانده بود.
با هم‌بستگی چندین نقطه کوانتومی، پژوهشگران می‌توانند رفتارهای پیچیدهٔ کوانتومی را بررسی کرده و معماری‌های پیشنهادی برای محاسبهٔ کوانتومی را توسعه دهند.
مشاهدهٔ پدیده‌های جدید کوانتومی
تیم همچنین پدیدهٔ منحصربه‌فردی به نام اثر خودکار سلولی کوانتومی (QCA) را مشاهده کرد که تنها در سامانه‌هایی که از سه یا بیش از سه نقطه کوانتومی به‌هم‌پیوسته تشکیل شده‌اند، ظاهر می‌شود.
تیم تحقیقاتی به‌سرپرستی دانشیار توموهیرو اوتسکا در WPI‑AIMR و مؤسسهٔ پژوهش‌های ارتباطات الکترونیکی، دانشگاه توهوكو، دستگاه ساختار لایه‌ای ZnO ساخته که می‌تواند با کنترل دقیق میدان الکتریکی، سه نقطه کوانتومی به‌هم‌پیوسته تشکیل دهد.
آنها تأیید کردند که هر نقطه کوانتومی به حالت چند‑الکترونی رسیده است؛ شرطی اساسی برای به‌کارگیری بیت‌های کوانتومی. علاوه بر این، با تحلیل ویژگی‌های انتقال الکترونی، پژوهشگران اثر QCA را شناسایی کردند؛ به‌طوری که پیکربندی بار الکتریکی در یک نقطه کوانتومی، از طریق کوپلینگ الکترواستاتیک بر نقاط همسایه تأثیر می‌گذارد و حرکت همزمان دو الکترون را القا می‌کند—مکانیسم کلیدی که برای عملکردهای منطقی کوانتومی کم‑مصرف پیش‌بینی می‌شود.
پیامدها برای فناوری‌های کوانتومی آینده
«این مطالعه نشان می‌دهد که ZnO می‌تواند میزبانی چندین نقطهٔ کوانتومی به‌خوبی کنترل‌شده که در آن تعاملات پیچیدهٔ کوانتومی رخ می‌دهد، فراهم کند»، اوتسکا گفت. «گام بعدی ما بررسی کنترل همگن کوانتومی و عملیات بیت‌های کوانتومی در این سامانه‌های اکسیدی است.»
این پژوهش با استفاده از ZnO — ماده‌ای که پیش‌تر در فناوری‌های روزمره همچون کرم‌های ضدآفتاب و الکترونیک شفاف شناخته شده است — مسیر جدیدی برای ساخت و کنترل بیت‌های کوانتومی می‌گشاید.
این نوع پژوهش گامی مهم برای غلبه بر چالش‌های اساسی ساخت سامانه‌های کوانتومی پایدار و مقیاس‌پذیر است. اگر بتوانیم به این هدف دست یابیم، کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند تحول شگرفی در زمینه‌هایی چون طراحی مواد، کشف داروها و امنیت داده‌ها به وجود آورند.
بنابراین، این کشف نه تنها دامنهٔ مواد قابل استفاده برای محاسبهٔ کوانتومی را گسترش می‌دهد، بلکه ما را به دستگاه‌های کوانتومی عملی، با کارایی انرژی بالا در آینده نزدیک نزدیک‌تر می‌کند.
اطلاعات بیشتر: کویچی بابا و همکاران، «تشکیل نقاط کوانتومی سه‌تایی کم‌الکترونی در ساختارهای لایه‌ای ZnO»، Scientific Reports (2025). DOI: 10.1038/s41598-025-20567-9
اطلاعات مجله: Scientific Reports
ارائه‌شده توسط دانشگاه توهوکو
استناد: کنترل نقاط کوانتومی سه‌تایی در نیمه‌رسانای اکسید روی (2025، 14 نوامبر) دریافت‌شده در 16 نوامبر 2025 از https://phys.org/news/2025-11-triple-quantum-dots-zinc-oxide.html
این سند تحت حق تکثیر است. به جز مواردی که تحت استفاده منصفانه برای مطالعه یا تحقیق خصوصی قرار می‌گیرد، هیچ بخشی بدون اجازه کتبی قابل بازتولید نیست. محتوا صرفاً برای مقاصد اطلاعاتی ارائه شده است.