تراشه کریستالی؛ منظره نو برای دستیابی به یارانه کوانتومی عظیم مقیاس - آریا بلاگ

به گزارش جام جم آنلاین به نقل از ساینس الرت، توسعه واکسن و دارو، هوش مصنوعی، حمل و نقل و تدارکات، علم هواشناسی همگی زمینه هایی هستند که با توسعه یک رایانه کوانتومی در مقیاس کامل تغییر شکل می دهند. در دهه گذشته سرمایه گذاری روی رایانه های کوانتومی رشد چشمگیری داشته است.

با این حال، پردازنده های کوانتومی کنونی هنوز در مقیاس نسبتاً کوچکی هستند و کمتر از 100 کیوبیت - عناصر اصلی سازنده یک کامپیوتر کوانتومی- ظرفیت دارند. بیت ها کوچک ترین واحد اطلاعات در محاسبات هستند و اصطلاح کیوبیت از بیت های کوانتومی نشأت می گیرد. در حالی که پردازنده های کوانتومی اولیه برای نشان دادن پتانسیل محاسبات کوانتومی بسیار مهم بوده اند، اما توسعه برنامه های کاربردی در سطح جهانی به احتمال زیاد به پردازنده هایی با بیش از یک میلیون کیوبیت احتیاج دارد.

تحقیقات تازه یک مشکل اصلی در قلب افزایش ظرفیت رایانه های کوانتومی را مورد آنالیز قرار می دهد: چگونه می توان از کنترل چند کیوبیت به کنترل میلیون ها کیوبیت دست یافت؟

کامپیوتر کوانتومی دقیقاً چیست؟

رایانه های کوانتومی از کیوبیت برای نگهداری و پردازش اطلاعات کوانتومی استفاده می نماید. بر خلاف بیت های اطلاعات موجود در رایانه های معمول، کیوبیت ها از خواص کوانتومی طبیعت که تحت نام برهم نهی و درهم تنیدگی شناخته می شوند، برای انجام بعضی محاسبات بسیار سریع تر از نمونه های معمول خود استفاده می نمایند.

بر خلاف یک بیت کلاسیک، که با صفر یا 1 نشان داده می گردد، یک کیوبیت می تواند هم زمان در دو حالت (یعنی صفر و 1) وجود داشته باشد. این همان چیزی است که از آن به نام حالت برهم نهی یاد می گردد.

اظهارات گوگل و بعضی دیگر از شرکت ها نشان داده است که همین الآن هم رایانه های کوانتومی که در سطوح اولیه هستند، می توانند از قوی ترین اَبَررایانه های جهان برای یک کار بسیار تخصصی (البته الزاماً مفید) بهتر عمل نمایند - رسیدن به نقطه عطفی که رجحان کوانتومی نامیده می گردد.

کامپیوتر کوانتومی گوگل که از مدار های الکتریکی اَبَررسانا ساخته شده است، فقط 53 کیوبیت داشت و در یخچالی با فناوری بالا تا دمای زیر 273- درجه سانتی گراد خنک می شد. این سرمای شدید برای حذف گرما، که می تواند خطا هایی را در کیوبیت های شنماینده ایجاد کند، مورد احتیاج است. اگرچه چنین نمونه هایی در توسعه فناوری بسیار مهم هستند، چالش کنونی ساخت پردازنده های کوانتومی با کیوبیت های بیشتر است.

کوشش های عمده ای در UNSW سیدنی در حال اجرا است تا رایانه های کوانتومی از همان مواد مورد استفاده در تراشه های رایانه ای روزمره یعنی سیلیکون ساخته گردد. یک تراشه سیلیکونی معمولی دارای اندازه کوچک و ساخته شده از چند میلیارد بیت است، بنابراین منظره استفاده از این فناوری برای ساخت یک رایانه کوانتومی قانع نماینده است.

مشکل کنترل

در پردازنده های کوانتومی سیلیکونی، اطلاعات در الکترون های جداگانه ذخیره می گردد، که در زیر الکترود های کوچک در سطح تراشه به دام افتاده اند. به طور خاص، کیوبیت در اسپین الکترون کدگذاری می گردد. می توان آن را مانند یک قطب نما کوچک در داخل الکترون تصور کرد. سوزن قطب نما می تواند سمت شمال یا جنوب را نشان دهد؛ یعنی یا حالت صفر یا 1.

برای تنظیم کیوبیت در حالت برهم نهی (هم صفر و هم یک)، عملیاتی که در همه محاسبات کوانتومی اتفاق می افتد، یک سیگنال کنترل باید به کیوبیت مورد نظر راهنمایی گردد. برای کیوبیت های سیلیکونی، این سیگنال کنترلی به شکل میدان مایکروویو است، دقیقاً مانند سیگنال هایی که برای انتقال تماس های تلفنی به وسیله شبکه 5G استفاده می گردد. امواج ماکروویو با الکترون برهمکنش می نماید و باعث چرخش اسپین (سوزن قطب نما) می گردد.

در حال حاضر، هر کیوبیت به میدان کنترل مایکروویو مخصوص خود احتیاج دارد. این میدان به وسیله یک کابل که از دمای اتاق تا نزدیک به 273- درجه سانتی گراد کاهش دما پیدا می نماید به تراشه کوانتومی تحویل می گردد. هر کابل گرما را با خود به همراه دارد، که باید قبل از رسیدن به پردازنده کوانتومی حذف گردد.

این موضوع در مواردی با تعداد حدود 50 کیوبیت، که دانش دست یافته بشر تا این لحظه است، سخت، اما قابل کنترل است. فناوری فعلی یخچال می تواند با بار حرارتی کابل در سیستم های فعلی مقابله کند. با این حال، اگر بخواهیم از سیستم هایی با یک میلیون کیوبیت یا بیشتر استفاده کنیم، یک مانع عظیم محسوب می گردد.

راه چاره کنترل سراسری است

در اواخر دهه 1990، یک راه چاره برای چالش نحوه ارسال سیگنال های کنترلی به میلیون ها کیوبیت اسپین ارائه شد. ایده کنترل سراسری ساده بود: پخش یک میدان کنترل مایکروویو در کل پردازنده کوانتومی.

می توان پالس های ولتاژ را به طور موضعی بر روی الکترود های کیوبیت اعمال کرد تا کیوبیت های جداگانه با میدان سراسری تعامل داشته باشند (و حالت های برهم نهی فراوری نمایند).

فراوری چنین پالس های ولتاژی روی تراشه بسیار آسان تر از فراوری چندین میدان مایکروویو است. این راه چاره فقط به یک کابل کنترل احتیاج دارد و مدار های مزاحم مایکروویو روی تراشه را حذف می نماید.

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

در تحقیقات تازه نشان داده شد که یک جزء به نام تشدیدنماینده دی الکتریک می تواند در نهایت این شرایط را فراهم کند. تشدیدنماینده دی الکتریک یک کریستال کوچک و شفاف است که امواج میکروویو را برای مدت کوتاهی به دام می اندازد.

به دام انداختن مایکروویوها، پدیده ای که با نام رزونانس شناخته می گردد، به آن ها اجازه می دهد تا مدت بیشتری با کیوبیت های اسپین دار تعامل داشته باشند و قدرت مایکروویو مورد احتیاج برای ایجاد میدان کنترل را تا حد زیادی کاهش می دهد. اما انجام این فناوری درون یخچال اجتناب ناپذیر بود.

در این تحقیقات، از نوعی تشدیدنماینده دی الکتریک برای ایجاد یک میدان کنترل در محدوده ای استفاده شد که تا چهار میلیون کیوبیت را شامل می شد. تراشه کوانتومی مورد استفاده در این آزمایش دستگاهی با دو کیوبیت بود. نتایج این آنالیز نشان داد که مایکروویو های فراوری شده به وسیله کریستال می توانند حالت چرخش هر کیوبیت را تغییر دهند.

راستا رسیدن به رایانه کوانتومی در مقیاس کامل

هنوز کار های زیادی باید انجام گردد تا این فناوری بتواند کنترل یک میلیون کیوبیت را انجام دهد. در این آزمایش، محققان پیروز شدند حالت کیوبیت ها را برعکس نمایند، اما هنوز حالت های برهم نهی دلخواه را نتوانسته اند ایجاد نمایند.

آزمایش هایی برای دستیابی به این قابلیت ضروری ادامه دارد. بعلاوه باید تأثیر تشدیدنماینده دی الکتریک بر سایر جنبه های پردازنده کوانتومی هم بیشتر آنالیز گردد.

با این اوصاف، محققان معتقدند که این چالش های مهندسی در نهایت قابل حل خواهد بود؛ یکی از عظیم ترین موانع برای دستیابی به یک رایانه کوانتومی مقیاس عظیم بر پایه اسپین رفع خواهد شد.

bestcanadatours.com: مجری سفرهای کانادا و آمریکا | مجری مستقیم کانادا و آمریکا، کارگزار سفر به کانادا و آمریکا