سریع ترین عملیات کوانتومی تاکنون

اعتبار: © Vitaly / Adobe Stock
 

گروهی از دانشمندان به رهبری استرالیاییِ منتخب سال 2018، پروفسور میخائیل سیمونز، به اولین دروازه دو کوبیتی بین کوبیت های اتمی در سیلیکون دست یافتند. این یک نقطه عطف بزرگ در تلاش تیم برای ساخت یک رایانه کوانتومی در مقیاس اتمی است. بخش اصلی تحقیق در مجله طبیعت منتشر شد.
 
یک دروازه دو کوبیتی بلوک ساختمانی مرکزی هر رایانه کوانتومی است - و نسخه تیم UNSW سریعترین آن است که تاکنون در سیلیکون نمایش داده شده است و عملیاتی را در 0.8 نانو ثانیه کامل می کند که تقریباً 200 بار سریعتر از دیگر دروازه های دو کوبیتی مبتنی بر اسپین موجود است.
 
در رویکرد گروه سیمونز، یک دروازه دو کوبیتی عملیاتی بین دو اسپین الکترونی است – که قابل مقایسه است با نقشی که دروازه های منطق کلاسیکی در الکترونیک مرسوم بازی می کنند. برای اولین بار تیم با نزدیکتر از قبل قرار دادنِ کوبیت های دو اتمی به یکدیگر، و سپس، به صورت بلادرنگ، با مشاهده و اندازه گیری قابل کنترل حالت های اسپین آنها، توانست یک دروازه دو کوبیتی را بسازد.
 
رویکرد منحصر به فرد این تیم برای محاسبات کوانتومی نیازمندِ نه تنها قرار دادن کوبیت‌های اتمی منفرد در سیلیکون است، بلکه تمام مدارهای مرتبط برای شروع، اقدام به کنترل و باز خوانی کوبیت‌ها در مقیاس نانو می کنند - مفهومی که نیاز به چنان دقت عالی‌ای دارد که مدت ها تصور می شد غیر ممکن است. اما با این نقطه عطف اصلی، تیم در حال حاضر در موقعیتی است که فناوری خود را به پردازنده های مقیاس پذیر برگرداند.
 
پروفسور سیمونز، مدیر مرکز تعالی محاسبات و فناوری ارتباطات کوانتومی (CQC2T) و بنیانگذار محاسبات کوانتومی سیلیکونی Pty Ltd می گوید که دهه گذشته مربوط به نتایج قبلی، تیم را کاملا به سوی تغییر مرزهای آنچه که "توسط انسان غیر ممکن" تصور می شد سوق داد.
 
او می گوید "کوبیت های اتمی دارای رکورد جهانی برای طولانی ترین زمان های چسبیدگی یک کوبیت در سیلیکون با بالاترین وفاداری‌ها به اصل ست." ما تاکنون واقعا نشان داده ایم که کنترل جهان در مقیاس اتمی امکان پذیر است "با استفاده از فن آوری های ساخت منحصر به فرد ما، تاکنون توانایی خواندن و راه اندازی اسپین های الکترونی منفرد را بر روی کوبیت های اتمی در سیلیکون با دقت بسیار بالا نشان داده ایم. همچنین نشان داده ایم که مدارات مقیاس اتمی ما، در مقایسه با هر سیستمی که تاکنون برای اتصال به یک کوبیت نیمه رسانا تدبیر شده است، دارای کمترین نویز الکتریکی است."
 
"بهینه سازی هر جنبه ای از طراحی دستگاه با دقت اتمی، اکنون ما را قادر به ساخت یک دروازه دو کوبیتی واقعاً سریع و بسیار دقیق، که بلوک ساختمانی پایه ای از یک کامپیوتر کوانتومی مبتنی بر سیلیکون مقیاس پذیر است، کرده است."
 
"ما تاکنون واقعا نشان داده ایم که کنترل جهان در مقیاس اتمی امکان پذیر است - و این که منافع این رویکرد قابل تغییر شکل است، از جمله در مورد سرعت قابل توجهی که در آن سیستم ما کار می کند."
 
رئیس UNSW Science، پروفسور اِما جانستون AO، می گوید که این مقاله کلیدی به علاوه درست نشان می دهد که تحقیق پروفسور سیمونز چقدر اصلی و مهم است.
 
"این یکی از نقاط عطف نهایی تیم میخائیل بود که نشان دهد که آنها واقعاً می توانند کامپیوتر کوانتومی خود را با استفاده از کوبیت های اتمی بسازند. هدف بزرگ بعدی آنها ساخت یک مدار مجتمع کوانتومی 10 کوبیتی است و ما امیدواریم که در عرض 3-4 سال به آن برسند."
 

با استفاده از یک میکروسکوپ تونل زنی روبشی برای در محل گذاری دقیق و در کپسول نهی اتم های فسفر در سیلیکون، تیم ابتدا باید فاصله مطلوب بین دو کوبیت را برای مقدور ساختن عملیات حیاتی از کار در می آورد.
 
همکار مؤلف رهبر مطالعه، سام گورمن از CQC2T، می گوید: "تکنیک ساخت ما به ما رخصت می‌دهد که کوبیت ها را دقیقا در همان جایی که می خواهیم آنها باشند قرار دهیم. این به ما اجازه می دهد تا دروازه دو کوبیتی مان را مهندسی کنیم که تا جایی که ممکن است، سریع باشد."
 
"ما نه تنها کوبیت ها را از زمان آخرین پیشرفت غیر منتظره مان به هم نزدیک تر کردیم، بلکه یاد گرفته ایم که هر جنبه ای از طراحی دستگاه را با دقت زیر نانومتری کنترل کنیم تا بتوانیم وفاداری زیاد به اصل را حفظ کنیم."
 

سپس تیم توانست اندازه گیری کند که چگونه حالت های کوبیت ها تکامل یافت که به صورت بلادرنگ عمل کند. و هیجان انگیزتر از همه این که محققان نشان دادند که چگونه قدرت تعامل بین دو الکترون را در مقیاس زمانی نانو ثانیه کنترل کنند.
 
یکی دیگر از همکاران مؤلف رهبر گروه، یوهی، می گوید: "مهم این که ما توانستیم الکترون های کوبیت را به هم نزدیکتر یا دورتر کنیم، و به طور مؤثر تعامل بین آنها را روشن و خاموش کنیم، که این یک پیش نیاز برای دروازه کوانتومی است."
 
محدودیت سفت الکترون های کوبیت، که برای رویکرد ما منحصر به فرد است، و نویز پایین ذاتی در سیستم ما، ما را قادر ساخت تا سریعترین دروازه دو کوبیتی تاکنون را در سیلیکون به نمایش بگذاریم."
 
"دروازه کوانتومی که به نمایش گذاشتیم، به اصطلاح دروازه SWAP، همچنین به طور ایده آل وفق داده شد با اطلاعات کوانتومی رفت و برگشت کننده بین کوبیت‌ها -- و هنگامی که با یک دروازه کوبیتی منفرد ترکیب می شد به شما اجازه می داد هر الگوریتم کوانتومی را اجرا کنید."
 

پروفسور سیمونز می گوید این نقطه اوج ارزش کار دو دهه است.
 
او می گوید: "این یک پیشرفت عظیم است: قادر بودن به کنترل طبیعت در کوچک ترین سطح آن، به طوری که بتوانیم تعاملاتی بین دو اتم ایجاد کنیم اما همچنین به طور جداگانه با هر یک از آنها بدون مزاحمت برای دیگری صحبت کنیم، باور نکردنی است. بسیاری از مردم فکر می کردند انجام این امر نمی تواند ممکن باشد."
 
"نوید همیشه این بوده است که اگر بتوانیم جهان کوبیت را در این مقیاس کنترل کنیم، آنها سریع خواهند بود و مطمئنا هم اکنون چنین هستند!"
 
منبع: دانشگاه نیو ساوت ولز