دستگاه قوی جدید ممکن است تکنولوژی کوانتومی را ارتقاء دهد

توضیح تصویر: محققان در سایت های مختلف آزمایشگاه مایکروسافت کوانتوم، از جمله آزمایشگاه مایکل مانفا در دانشگاه پوردو، برای ایجاد یک دستگاه که می تواند بیت های کوانتومی مقیاس پذیرتری را ایجاد کند، همکاری کردند. کاندایس توماس (چپ) و جف گاردنر، محققان پوردو هستند.
اعتبار: مایکروسافت ایستگاه Q Purdue عکس   
 

محققان برای سالهای زیادی تلاش کرده اند تا کامپیوتر کوانتومی‌ای ایجاد کنند که قابل تکثیر در صنعت باشد، اما بلوک های ساختاری محاسبات کوانتومی، کیوبیت ها، هنوز آنقدر قوی نیستند که بتوانند با محیط پر سر و صدای یک کامپیوتر کوانتومی سروکار داشته باشند.
 
یک تئوری که تنها دو سال پیش طراحی شده بود، راهی برای این که کیوبیت ها بهبود پذیرتر شوند را از طریق ترکیب یک نیمه هادی، آرسنید ایندیوم، با یک ابررسانا، آلومینیوم، در یک دستگاه مسطح، پیشنهاد می داد. در حال حاضر، این تئوری پشتیبانی تجربی را در یک دستگاه که همچنین به مقیاس کردن کیوبیت ها کمک می کند دریافت کرده است.
 
این ترکیب نیمه رسانا - ابررسانا حالتی از "ابررسانایی توپولوژیک" را ایجاد می کند که از تغییراتی حتی جزئی در محیط یک کیوبیت که مانع ماهیت کوانتومی آن می شود محافظت می کند که مسأله‌ی مشهوری به نام "decoherence" است.
 
این دستگاه با توجه به سطح "مسطح" آن به طور بالقوه مقیاس پذیر است -- پلت فرمی که صنعت تاکنون از آن به شکل ویفرهای سیلیکونی برای ساخت میکروپروسسورهای کلاسیک استفاده می کند.
 
کار، منتشر شده در مجله نیچر، توسط آزمایشگاه مایکروسافت کوانتومی در موسسه Niels Bohr دانشگاه کپنهاگ رهبری شد که دستگاه را ساخت و اندازه گرفت. آزمایشگاه مایکروسافت کوانتومی در دانشگاه پوردو، ساختار نیمه رسانا – ابر رسانا را با استفاده از تکنیکی به نام اپیتاکسی پرتو مولکولی رشد داد و اندازه گیری های مشخصه اولیه را انجام داد.
 
نظریه پردازان ایستگاه Q، یک آزمایشگاه تحقیقاتی مایکروسافت در سانتا باربارا، کالیفرنیا، همراه با دانشگاه شیکاگو و موسسه علمی ویزمن نیز در این مطالعه شرکت کردند.
 
مایکل مانفرا، استادیار فیزیک و نجوم و استاد دانشکده پوردو، مهندسی برق و کامپیوتر و مهندسی مواد، که سایت مایکروسافت ایستگاه Q Purdue را رهبری می کند، گفت: "از آنجا که تکنولوژی دستگاه نیمه رسانای مسطح در سخت افزار کلاسیک بسیار موفق بوده است، چندین روش برای ارتقاء یک کامپیوتر کوانتومی بر روی آن ایجاد شده است."
 
این آزمایشات شواهدی را نشان می دهند که آلومینیوم و ایندیوم آرسنید، هنگامی که با هم برای تشکیل یک دستگاه به نام پیوندگاه جوزفسون ترکیب می شوند می توانند حالت های صفر ماجورانا راحمایت کنند، که دانشمندان پیش بینی کرده اند که دارای حفاظت توپولوژیک در برابر ناهماهنگی هستند.
 
همچنین دانسته شده است که آلومینیوم و ایندیوم آرسنید به خوبی با هم کار می کنند زیرا یک سوپر جریان به خوبی بین آنها جاری می شود.
 
این به این دلیل است که بر خلاف بسیاری از نیمه رساناها، ایندیوم آرسنید هیچ مانعی ندارد که الکترونها را از ورود از یک ماده به یک ماده دیگر منع کند. به این ترتیب، ابررسانایی آلومینیوم می تواند لایه های بالای ایندیوم آرسنید، که یک نیمه رساناست، را همچنین یک ابررسانا کند.
 
«این دستگاه هنوز به عنوان یک کیوبیت عمل نمی کند، اما این مقاله نشان می دهد که مواد تشکیل دهنده مناسب لازم برای ایجاد یک فناوری قیاس پذیر را دارد.» این را منفرا گفت، که آزمایشگاهش متخصص در ساخت سیستم عامل ها و درک فیزیکِ فناوری های زود آینده‌ی کوانتومی است.
 
ترکیب بهترین خواص ابررساناها و نیمه هادی ها در داخل ساختارهای مسطح، به گونه ای که صنعت به راحتی بتواند آنها را سازوار کند، می تواند به مقیاس پذیری فناوری کوانتومی منجر شود. وجود تریلیون سوئیچ، که ترانزیستورها را تشکیل می دهند، بر روی یک ویفر منفرد، در حال حاضر به رایانه های کلاسیک اجازه‌ی پردازش اطلاعات را می دهد.
 
منفرا گفت: "این کار اولین گام تشویقی برای ایجاد فن آوری های کوانتومی مقیاس پذیر است."
 

براساس یک مطالعه بین المللی از محققان دانشگاه کوئینزلند، نور ممکن است جزء گمشده در ساخت تراشه های کامپیوتری سیلیکونی کوانتومی قابل استفاده باشد. این تیم یک تراشه سیلیکونی را طراحی کرده است که می‌تواند ذرات منفرد نور – فوتون ها -- را در امتداد مسیرهای اپتیکی راهنمایی کند، و بیت های کوانتومی اطلاعات، مشهور به کیوبیت ها، را رمزگذاری و پردازش کند.
 

توضیح تصویر: مسیرهایی به نام موجبرها فوتون ها را در سیلیکون هدایت می کنند. از سیگنالهای این موجبرها برای تولید فوتون هایی که در اطراف مدار پردازنده قرار دارند استفاده می شود.
اعتبار: Xiaogang Qiang، دانشگاه بریستول
 
پروفسور تیموتی رالف از مرکز محاسبات کوانتومی و فناوری ارتباطات UQ گفت که استفاده از فوتون ها در این روش می تواند تعداد و نوع وظایفی که رایانه ها می توانند از آن طریق به ما کمک کنند را افزایش دهد.
از آنجا که تکنولوژی دستگاه نیمه رسانای مسطح در سخت افزار کلاسیک بسیار موفق بوده است، چندین روش برای ارتقاء یک کامپیوتر کوانتومی بر روی آن ایجاد شده است.پروفسور رالف گفت: "رایانه های فعلی از یک کد باینری - شامل یک ها و صفرها - برای انتقال اطلاعات استفاده می کنند، اما رایانه های کوانتومی پتانسیل قدرت بیشتری را با مهار کردن توان کیوبیت ها دارند."
 کیوبیت ها می توانند به طور همزمان یک و صفر باشند، یا می تواند به روش های پیچیده تری با هم پیوند برقرار کنند – که یک فرآیند شناخته شده تحت عنوان درگیری کوانتومی است – که اجازه می دهد مقدار زیادی از داده ها در یک نوبت پردازش شوند.
 
"ترفند واقعی ایجاد یک دستگاه محاسباتی کوانتومی است که قابل برنامه ریزی است و می تواند با هزینه کم ساخته شود."
 
آزمایش، که عمدتا در دانشگاه بریستول انجام شد، ثابت کرد که امکان کنترل کامل دو کیوبیت اطلاعات در یک تراشه سیلیکونی یکپارچه وجود دارد. این به این معنی است که ما به طور موثر یک ماشین قابل برنامه ریزی را ایجاد کرده ایم که می تواند انواع وظایف را انجام دهد. از آنجا که این یک پردازنده بسیار کوچک است و می تواند از سیلیکون ساخته شود، ممکن است بتوان آن را به شیوه ای مقرون به صرفه مقیاس پذیر کرد.
 
منبع: سایت Science Daily