تراشه کریستالی؛ چشم‌انداز جدید برای دستیابی به یارانه کوانتومی بزرگ‌مقیاس

به گزارش جام‌جم آنلاین به نقل از ساینس الرت، توسعه واکسن و دارو، هوش مصنوعی، حمل‌و‌نقل و تدارکات، علم هواشناسی همگی زمینه‌هایی هستند که با توسعه یک رایانه کوانتومی در مقیاس کامل تغییر شکل می‌دهند. در دهه گذشته سرمایه‌گذاری روی رایانه‌های کوانتومی رشد چشمگیری داشته است.

با این حال، پردازنده‌های کوانتومی کنونی هنوز در مقیاس نسبتاً کوچکی هستند و کمتر از ۱۰۰ کیوبیت - عناصر اصلی سازنده یک کامپیوتر کوانتومی- ظرفیت دارند. بیت‌ها کوچک‌ترین واحد اطلاعات در محاسبات هستند و اصطلاح کیوبیت از «بیت‌های کوانتومی» نشأت می‌گیرد. در حالی که پردازنده‌های کوانتومی اولیه برای نشان دادن پتانسیل محاسبات کوانتومی بسیار مهم بوده‌اند، اما توسعه برنامه‌های کاربردی در سطح جهانی به احتمال زیاد به پردازنده‌هایی با بیش از یک میلیون کیوبیت نیاز دارد.

تحقیقات جدید یک مشکل اصلی در قلب افزایش ظرفیت رایانه‌های کوانتومی را مورد بررسی قرار می‌دهد: چگونه می‌توان از کنترل چند کیوبیت به کنترل میلیون‌ها کیوبیت دست یافت؟

رایانه‌های کوانتومی از کیوبیت برای نگهداری و پردازش اطلاعات کوانتومی استفاده می‌کند. بر خلاف بیت‌های اطلاعات موجود در رایانه‌های معمول، کیوبیت‌ها از خواص کوانتومی طبیعت که تحت عنوان «برهم نهی» و «درهم تنیدگی» شناخته می‌شوند، برای انجام برخی محاسبات بسیار سریع‌تر از نمونه‌های معمول خود استفاده می‌کنند.

بر خلاف یک بیت کلاسیک، که با صفر یا ۱ نشان داده می‌شود، یک کیوبیت می‌تواند هم‌زمان در دو حالت (یعنی صفر و ۱) وجود داشته باشد. این همان چیزی است که از آن به عنوان حالت برهم نهی یاد می‌شود.

اظهارات گوگل و برخی دیگر از شرکت‌ها نشان داده است که همین الآن نیز رایانه‌های کوانتومی که در سطوح اولیه هستند، می‌توانند از قوی‌ترین اَبَررایانه‌های دنیا برای یک کار بسیار تخصصی (البته الزاماً مفید) بهتر عمل کنند - رسیدن به نقطه عطفی که «برتری کوانتومی» نامیده می‌شود.

کامپیوتر کوانتومی گوگل که از مدار‌های الکتریکی اَبَررسانا ساخته شده است، فقط ۵۳ کیوبیت داشت و در یخچالی با فناوری بالا تا دمای زیر ۲۷۳- درجه سانتی‌گراد خنک می‌شد. این سرمای شدید برای حذف گرما، که می‌تواند خطا‌هایی را در کیوبیت‌های شکننده ایجاد کند، مورد نیاز است. اگرچه چنین نمونه‌هایی در توسعه فناوری بسیار مهم هستند، چالش کنونی ساخت پردازنده‌های کوانتومی با کیوبیت‌های بیشتر است.

تلاش‌های عمده‌ای در UNSW سیدنی در حال انجام است تا رایانه‌های کوانتومی از همان مواد مورد استفاده در تراشه‌های رایانه‌ای روزمره یعنی سیلیکون ساخته شود. یک تراشه سیلیکونی معمولی دارای اندازه کوچک و ساخته شده از چند میلیارد بیت است، بنابراین چشم‌انداز استفاده از این فناوری برای ساخت یک رایانه کوانتومی قانع‌کننده است.

در پردازنده‌های کوانتومی سیلیکونی، اطلاعات در الکترون‌های جداگانه ذخیره می‌شود، که در زیر الکترود‌های کوچک در سطح تراشه به دام افتاده‌اند. به طور خاص، کیوبیت در اسپین الکترون کدگذاری می‌شود. می‌توان آن را مانند یک قطب‌نما کوچک در داخل الکترون تصور کرد. سوزن قطب‌نما می‌تواند سمت شمال یا جنوب را نشان دهد؛ یعنی یا حالت صفر یا ۱.

برای تنظیم کیوبیت در حالت برهم‌نهی (هم صفر و هم یک)، عملیاتی که در همه محاسبات کوانتومی اتفاق می‌افتد، یک سیگنال کنترل باید به کیوبیت مورد نظر هدایت شود. برای کیوبیت‌های سیلیکونی، این سیگنال کنترلی به شکل میدان مایکروویو است، دقیقاً مانند سیگنال‌هایی که برای انتقال تماس‌های تلفنی از طریق شبکه 5G استفاده می‌شود. امواج ماکروویو با الکترون برهمکنش می‌کند و باعث چرخش اسپین (سوزن قطب‌نما) می‌شود.

در حال حاضر، هر کیوبیت به میدان کنترل مایکروویو مخصوص خود نیاز دارد. این میدان از طریق یک کابل که از دمای اتاق تا نزدیک به ۲۷۳- درجه سانتی‌گراد کاهش دما پیدا می‌کند به تراشه کوانتومی تحویل می‌شود. هر کابل گرما را با خود به همراه دارد، که باید قبل از رسیدن به پردازنده کوانتومی حذف شود.

این موضوع در مواردی با تعداد حدود ۵۰ کیوبیت، که دانش دست‌یافته بشر تا این لحظه است، دشوار، اما قابل کنترل است. فناوری فعلی یخچال می‌تواند با بار حرارتی کابل در سیستم‌های فعلی مقابله کند. با این حال، اگر بخواهیم از سیستم‌هایی با یک میلیون کیوبیت یا بیشتر استفاده کنیم، یک مانع بزرگ محسوب می‌شود.

در اواخر دهه ۱۹۹۰، یک راه‌حل برای چالش نحوه ارسال سیگنال‌های کنترلی به میلیون‌ها کیوبیت اسپین ارائه شد. ایده «کنترل سراسری» ساده بود: پخش یک میدان کنترل مایکروویو در کل پردازنده کوانتومی.
‌
می‌توان پالس‌های ولتاژ را به‌طور موضعی بر روی الکترود‌های کیوبیت اعمال کرد تا کیوبیت‌های جداگانه با میدان سراسری تعامل داشته باشند (و حالت‌های برهم‌نهی تولید کنند).

تولید چنین پالس‌های ولتاژی روی تراشه بسیار آسان‌تر از تولید چندین میدان مایکروویو است. این راه حل فقط به یک کابل کنترل نیاز دارد و مدار‌های مزاحم مایکروویو روی تراشه را حذف می‌کند.

برای بیش از دو دهه کنترل سراسری رایانه‌های کوانتومی یک ایده باقی ماند. محققان نتوانستند فناوری مناسبی را ابداع کنند که بتواند با یک تراشه کوانتومی ادغام شده و میدان مایکروویو را با قدرت مناسب تولید کند.

در تحقیقات جدید نشان داده شد که یک جزء به نام تشدیدکننده دی‌الکتریک می‌تواند در نهایت این شرایط را فراهم کند. تشدیدکننده دی‌الکتریک یک کریستال کوچک و شفاف است که امواج میکروویو را برای مدت کوتاهی به دام می‌اندازد.

به دام انداختن مایکروویوها، پدیده‌ای که با نام رزونانس شناخته می‌شود، به آن‌ها اجازه می‌دهد تا مدت بیشتری با کیوبیت‌های اسپین‌دار تعامل داشته باشند و قدرت مایکروویو مورد نیاز برای ایجاد میدان کنترل را تا حد زیادی کاهش می‌دهد. اما انجام این فناوری درون یخچال اجتناب ناپذیر بود.

در این تحقیقات، از نوعی تشدیدکننده دی‌الکتریک برای ایجاد یک میدان کنترل در محدوده‌ای استفاده شد که تا چهار میلیون کیوبیت را شامل می‌شد. تراشه کوانتومی مورد استفاده در این آزمایش دستگاهی با دو کیوبیت بود. نتایج این بررسی نشان داد که مایکروویو‌های تولید شده توسط کریستال می‌توانند حالت چرخش هر کیوبیت را تغییر دهند.

هنوز کار‌های زیادی باید انجام شود تا این فناوری بتواند کنترل یک میلیون کیوبیت را انجام دهد. در این آزمایش، محققان موفق شدند حالت کیوبیت‌ها را برعکس کنند، اما هنوز حالت‌های برهم نهی دلخواه را نتوانسته‌اند ایجاد کنند.

آزمایش‌هایی برای دستیابی به این قابلیت ضروری ادامه دارد. همچنین باید تأثیر تشدیدکننده دی‌الکتریک بر سایر جنبه‌های پردازنده کوانتومی نیز بیشتر بررسی شود.

با این اوصاف، محققان معتقدند که این چالش‌های مهندسی در نهایت قابل حل خواهد بود؛ یکی از بزرگ‌ترین موانع برای دستیابی به یک رایانه کوانتومی مقیاس بزرگ بر پایه اسپین برطرف خواهد شد.