تولد رایانه‌های نوری و کوانتومی

محققان دانشگاه علوم و فناوری ETH در زوریخ سوئیس به سرپرستی دکتر وحید صندوقدار، دست به کار بزرگی زده‌اند و ترانزیستور نوری را با موفقیت ساخته‌اند که مبنای آن استفاده از تنها یک مولکول بوده است. به عقیده او، این دستاورد جدید را می‌توان گامی امیدوارکننده به سوی طراحی و ساخت رایانه‌های نوری به شمار آورد.

از ورود اینترنت به زندگی عادی مردم سالیان طولانی نمی‌گذرد، اما در همین مدت ثابت شده است که استفاده از آن باید با سرعتی به مراتب بیشتر از سرعت فعلی صورت گیرد. استفاده از پهنای باند و تکنیک‌های دیگری در این زمینه که برای رسیدن به این خواسته صورت گرفته، هنوز نتوانسته است رضایت دانشمندان و کاربران را برآورده کند.

کارشناسان بر این باورند که ارتباطات اینترنتی و رایانه‌ای باید به مراتب سریع‌تر و قدرتمندتر از شرایط فعلی انجام شود، اما موانع زیادی بر سر راه دیده می‌شود. سیستم‌های شناخته‌شده پردازش‌کننده مرکزی سنتی (سی‌پی‌یوها) خود به عنوان بخشی از موانع محدودکننده رایانه‌ها به شمار می‌آیند که به عنوان مثال باید به تولید گرمای قابل توجه در آنها و خطراتی که به دنبال خود دارند، اشاره کرد. برآورد شده است که میلیون‌ها ترانزیستوری که وظیفه دارند سیگنال‌های الکترونیکی را در سی‌پی‌یو‌ها روشن و تقویت کنند، علت اصلی تولید حجم قابل توجهی از این گرما محسوب می‌شود. بررسی‌های دقیق نیز نشان داده است که تنها یک سانتی‌متر مربع از سی‌پی‌یو‌ می‌تواند بالغ بر 125وات حرارت تولید کند که بیش از 10 برابر حرارتی است که یک سانتی‌متر مربع از یک hotplate الکتریکی تولید می‌کند. پس راه‌حل امیدوارکننده برای تحقق ایده رایانه‌های نوری چیست؟ استفاده از فوتون‌ها به جای الکترون‌ها می‌تواند راه‌حل مناسبی باشد.

این گرمای نگران‌کننده، مهم‌ترین انگیزه و محرک دانشمندان در پیدا کردن شیوه‌هایی موثر برای طراحی و تولید مدارهای یکپارچه‌ای بوده است که به جای عمل کردن براساس الکترون‌ها، بر مبنای فوتون‌ها کار کنند، اما دلیل این تغییر نگرش در چیست؟ دانشمندان دلیل اصلی ارائه این راه‌حل را در این می‌دانند که فوتون‌ها نه‌تنها در مقایسه با الکترون‌ها حرارت کمتری تولید می‌کنند بلکه آنها امکان خیره‌کننده‌ای در زمینه انتقال بسیار سریع‌تر داده‌ها ایجاد می‌کنند.

اگرچه امروزه بخش قابل توجهی از مهندسی ارتباطات از راه دور بر مبنای انتقال نوری سیگنال‌هاست، اما کدگذاری ضروری اطلاعات با استفاده از سوئیچ‌های کنترلی الکترونیکی صورت می‌گیرد. از این رو به نظر می‌رسد هنوز با ترانزیستور فشرده نوری فاصله زیادی وجود داشته باشد. دکتر وحید صندوقدار، استادیار ایرانی آزمایشگاه شیمی فیزیک ETH زوریخ می‌گوید: با مقایسه وضعیت فعلی این فناوری با سازه‌ها و دستاوردهای صورت گرفته در عرصه الکترونیک می‌توان گفت تا حدود زیادی به ایده منحصربه‌فرد رایانه‌های نوری نزدیک شده‌ایم. در حال حاضر او و تیم تحقیقاتی‌اش به تحولی قطعی در این زمینه دست یافته‌اند که این همه به واسطه تولید ترانزیستور نوری صورت گرفته است که بر مبنای یک مولکول ساخته شده است.

این محققان برای رسیدن به چنین نقطه‌ای بر این حقیقت تکیه کرده‌اند که انرژی مولکول به صورت پله‌ای تعریف شده است و وقتی نور لیزر به مولکولی که در وضعیت پایه‌ای خود قرار دارد برخورد می‌کند، جذب مولکول می‌شود و در نتیجه پرتوی لیزری فروکش می‌کند؛ اما اگر به صورت معکوس به این فرآیند نگاه کنیم این امکان وجود دارد که انرژی جذب شده را با استفاده از پرتوی لیزری ثانویه و در روشی هدف‌گیری شده آزاد کرد. راز نهفته درخصوص این فرآیند این است که پرتوی لیزری وضعیت کوانتومی مولکول را دستخوش تغییر قرار می‌دهد. این انتشار تحریک‌شده‌ای است که آلبرت اینشتین حدود 90 سال پیش آن را توصیف کرد و اساس کلی اصل فناوری لیزر را نیز تشکیل می‌دهد.

رایانه‌های نوری و در ادامه رایانه‌های کوانتومی

جسوک هوانگ از محققان این طرح و یکی از اعضای گروه تحقیقات نانو اپتیکی دکتر صندوقدار می‌گوید: تقویت‌سازی در فناوری فعلی لیزر به واسطه حضور شمار قابل توجهی از مولکول‌ها صورت می‌گیرد؛ اما اکنون محققان این طرح با تمرکز دادن یک پرتوی لیزری روی تنها یک مولکول توانسته‌اند آزادسازی تحریک‌شده‌ای را با استفاده از تنها یک مولکول خلق کنند، البته محققان از این حقیقت پذیرفته شده علمی که در دماهای پایین به نظر می‌رسد مولکول‌ها سطح خارجی خود را در تعامل با نور افزایش می‌دهند نیز استفاده‌های زیادی کرده‌اند تا به نتایج مورد نظر دست یابند. محققان در ادامه کار راهی ندارند جز این که دمای مولکول را به منهای 272 درجه سلسیوس برسانند که تقریبا کمی بالاتر از صفر است.

توسعه این فناوری که هدفی همچون طراحی و ساخت رایانه‌های نوری برای آن در نظر گرفته شده است، در نوع خود هیجان‌انگیز است؛ اما به عقیده دکتر صندوقدار، قطعات و فناوری‌هایی نظیر ترانزیستور تک‌مولکولی می‌توانند راه را برای ساخت رایانه‌های کوانتومی هموار کند. باید در این زمینه و تا پیش از به‌کارگیری فوتون‌ها به جای الکترون‌ها در ترانزیستورها تحقیقات زیادی صورت گیرد. در همین حال یکی از مهم‌ترین برنامه‌های دانشمندان این است که با دستکاری و مهندسی‌سازی سیستم‌های کوانتومی کنترلی، گام‌های امیدوارکننده‌ای به سوی تحقق رویایی رایانه‌های کوانتومی بردارند. تحقق چنین رویایی می‌تواند به بروز انقلابی بزرگ در دنیای محاسبات و پردازش‌های پیچیده ریاضی منجر شود.

بشر هم‌اکنون خود را درگیر طیف گسترده‌ای از تحقیقات دامنه‌دار علمی می‌داند. نفوذ به اعماق اقیانوس‌ها تا پرده برداشتن از راز شکل‌گیری سیاهچاله‌ها و از آن جذاب‌تر حل معمای انرژی تاریک ازجمله عرصه‌هایی است که صرفا با استفاده از ابررایانه‌های فوق‌مدرن که در آن سرعت محاسباتی حرف اول را می‌زند، تحقق خواهند یافت.

مهدی پیرگزی