حاسوب كين الكمي

حاسوب كين الكمومي هو اقتراح لحاسوب كمومي قابل للتطوير، اقترحه بروس كين عام ١٩٩٨، ^{[ ١ ]} وكان حينها في جامعة نيو ساوث ويلز . يُنظر إليه غالبًا على أنه مزيج بين حاسوب النقاط الكمومية وحاسوب الرنين المغناطيسي النووي الكمومي ، ويعتمد حاسوب كين على مصفوفة من ذرات الفوسفور المانحة الفردية المدمجة في شبكة من السيليكون النقي. وتشارك كل من اللف المغزلي النووي للذرات المانحة واللف المغزلي لإلكتروناتها في الحساب.

على عكس العديد من مخططات الحوسبة الكمومية، فإن حاسوب كين الكمومي قابل للتوسع من حيث المبدأ ليشمل عددًا غير محدود من الكيوبتات. وهذا ممكن لأن الكيوبتات يمكن معالجتها بشكل فردي باستخدام الوسائل الكهربائية.

يقترح التصميم الأصلي وضع ذرات الفوسفور المانحة في مصفوفة بمسافة 20 نانومتر ، على عمق 20 نانومتر تقريبًا أسفل السطح. تُنمّى طبقة عازلة من الأكسيد فوق السيليكون. تُرسّب بوابات معدنية من النوع A على طبقة الأكسيد فوق كل ذرة مانحة، وبوابات من النوع J بين الذرات المانحة المتجاورة.  

ذرات الفوسفور المانحة هي نظائر نقية من الفوسفور ^-31 ، ولها عزم مغزلي نووي مقداره 1/2. أما ركيزة السيليكون فهي نظائر نقية من السيليكون ^-28 ، ولها عزم مغزلي نووي مقداره 0. استخدام العزم المغزلي النووي لذرات الفوسفور المانحة كطريقة لترميز الكيوبتات له ميزتان رئيسيتان. أولاً، تتميز الحالة بزمن فك ترابط طويل للغاية ، ربما في حدود 10 ^{^18} ثانية عند درجات حرارة بالملي كلفن . ثانياً، يمكن التحكم في الكيوبتات بتطبيق مجال مغناطيسي متذبذب ، كما هو الحال في مقترحات الرنين المغناطيسي النووي التقليدية. بتغيير الجهد على بوابات A، يمكن تغيير تردد لارمور لكل ذرة مانحة على حدة. وهذا يسمح بالتحكم بها بشكل فردي، عن طريق جعل ذرات مانحة محددة في حالة رنين مع المجال المغناطيسي المتذبذب المطبق.

لا تتفاعل اللفات النووية وحدها بشكلٍ ملحوظ مع اللفات النووية الأخرى  التي تبعد عنها مسافة 20 نانومترًا. يُعدّ اللف النووي مفيدًا لإجراء عمليات أحادية الكيوبت، ولكن يتطلب بناء حاسوب كمومي عمليات ثنائية الكيوبت أيضًا. هذا هو دور اللف الإلكتروني في هذا التصميم. تحت تحكم بوابة A، ينتقل اللف من النواة إلى الإلكترون المانح. بعد ذلك، يُطبّق جهد على بوابة J، ما يجذب الإلكترونات المانحة المتجاورة إلى منطقة مشتركة، مُعززًا التفاعل بين اللفات المتجاورة بشكلٍ كبير. من خلال التحكم في جهد بوابة J، تُصبح العمليات ثنائية الكيوبت ممكنة.

كان اقتراح كين لقراءة البيانات هو تطبيق مجال كهربائي لتشجيع النفق الكمومي المعتمد على اللف المغزلي للإلكترون، لتحويل ذرتين مانحتين متعادلتين إلى حالة D ⁺ - D- ^، أي حالة يرتبط فيها إلكترونان بنفس الذرة المانحة. ثم يُكشف عن فائض الشحنة باستخدام ترانزستور أحادي الإلكترون . تواجه هذه الطريقة صعوبتين رئيسيتين. أولاً، تتميز حالة D- ^{باقتران} قوي مع البيئة المحيطة، وبالتالي زمن فقدان ترابط قصير. ثانياً، وربما الأهم، ليس من الواضح ما إذا كانت حالة D- ^تتمتع بعمر طويل بما يكفي للسماح بقراءة البيانات ، حيث ينفق الإلكترون إلى نطاق التوصيل .

منذ اقتراح كين، وتحت إشراف روبرت كلارك ، ثم ميشيل سيمونز ، أصبح السعي لتحقيق حاسوب كين الكمومي الجهد الرئيسي في مجال الحوسبة الكمومية في أستراليا . ^{[ 2 ]} وقدّم المنظرون عددًا من المقترحات لتحسين القراءة. عمليًا، تم تحقيق ترسيب ذرات الفوسفور بدقة ذرية باستخدام تقنية المجهر النفقي الماسح (STM) في عام 2003. ^{[ 3 ]} كما تم رصد حركة الإلكترونات المفردة بين تجمعات صغيرة وكثيفة من ذرات الفوسفور المانحة. وبينما لا تزال هذه المجموعة متفائلة بإمكانية بناء حاسوب كين الكمومي العملي واسع النطاق، يعتقد آخرون أن الفكرة بحاجة إلى تعديل. ^{[ 4 ]}

في عام 2020، أثبت أندريا موريلو وآخرون أنه يمكن التحكم في نواة الأنتيمون (ذات ثماني حالات دوران) المدمجة في السيليكون باستخدام مجال كهربائي، بدلاً من مجال مغناطيسي. ^{[ 5 ]}

• حاسوب كمي ذو كيوبت دوراني
• حاسوب كمي بالرنين المغناطيسي النووي