ایجاد قلب یک کامپیوتر کوانتومی: توسعه کیوبیت ها

کامپیوترهای کوانتومی پتانسیل حل مشکلاتی را دارند که کامپیوترهای معمولی قادر به حل آن نیستند. تراشه‌های رایانه‌ای معمولی تنها می‌توانند اطلاعات زیادی را در یک زمان پردازش کنند و ما در حال نزدیک شدن به محدودیت‌های فیزیکی آنها هستیم. در مقابل، خواص منحصر به فرد مواد برای محاسبات کوانتومی ، پتانسیل پردازش اطلاعات بیشتر را بسیار سریع‌تر دارد. برای استفاده از رایانه‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ، باید فناوری را در قلب آنها - کیوبیت‌ها - بهبود دهیم(کیوبیت ها نسخه کوانتومی اولیه ترین شکل اطلاعات کامپیوترهای معمولی یعنی بیت ها هستند). برای آشنایی با انواع کیوبیت‌ها و روش توسعه آنها ادامه خبر را مطالعه بفرمایید.

پیشرفت ها در محاسبات کوانتومی می تواند حوزه های خاصی از تحقیقات علمی را متحول کند. شناسایی مواد با ویژگی‌های خاص، درک فتوسنتز و کشف داروهای جدید و ... همگی نیازمند محاسبات زیادی هستند. به لحاظ تئوری، محاسبات کوانتومی می‌تواند این مشکلات را سریع‌تر و کارآمدتر حل کند. محاسبات کوانتومی همچنین می‌تواند فرصت‌هایی را ایجاد کند که ما هرگز به آن فکر نکرده‌ایم. اما ما هنوز به آن مرحله نرسیده‌ایم. تاکنون، یک شرکت ادعا کرده است که کامپیوتر کوانتومی آن می‌تواند تنها یک سری محاسبات خاص را سریع‌تر از سریع‌ترین ابررایانه‌های معمولی جهان انجام دهد و این موضوع نشان می‌دهد با انقلاب فاصله داریم. عجایب کوانتومی در مقیاس اتمی، فیزیک بسیار عجیب و غریب می‌شود. الکترون‌ها، اتم‌ها و دیگر ذرات کوانتومی با یکدیگر برهمکنش متفاوتی نسبت به اجسام معمولی دارند. در مواد خاصی می‌توانیم این رفتارهای عجیب را مهار کنیم. چندین مورد از این ویژگی ها - به ویژه برهم نهی و درهم تنیدگی - می توانند در فناوری محاسبات بسیار مفید باشند. اصل برهم نهی این ایده است که یک کیوبیت می‌تواند همزمان در چندین حالت باشد. با بیت های سنتی، شما فقط دو گزینه دارید: 1 یا 0. این اعداد باینری تمام اطلاعات موجود در هر رایانه را توصیف می کنند. کیوبیت ها پیچیده‌تر هستند. قابلمه‌ای را تصور کنید که در آن آب وجود دارد. وقتی داخل قابلمه‌ای در بسته آب دارید، نمی دانید که آب در حال جوشیدن است یا نه. نگاه کردن به آن حالت آن را تغییر نمی دهد. اما اگر قابلمه در قلمرو کوانتومی بود، آب (نماینده یک ذره کوانتومی) می‌توانست هم‌زمان در حال جوشیدن و نجوشیدن باشد( در واقع در حالت برهم‌نهی خطی این دو حالت قرار داشته باشد). اگر درب قابلمه کوانتومی را بردارید، آب بلافاصله به حالت جوشیدن یا حالت نجوشیدن تبدیل می‌شود. در واقع اندازه گیری، ذره کوانتومی (یا آب) را به یک حالت قابل مشاهده خاص وادار می کند. درهم تنیدگی زمانی اتفاق می‌افتد که کیوبیت‌ها رابطه‌ای با یکدیگر دارند که مانع از عمل مستقل آن‌ها می‌شود. زمانی اتفاق می‌افتد که یک ذره کوانتومی حالتی (مانند اسپین یا بار الکتریکی) داشته باشد که به حالت ذره کوانتومی دیگر مرتبط است. این رابطه حتی زمانی که ذرات از نظر فیزیکی از هم دور هستند، حتی بسیار فراتر از فواصل معمولی، ادامه دارد. این ویژگی‌ها به کامپیوترهای کوانتومی اجازه می‌دهند تا اطلاعات بیشتری را نسبت به بیت‌های معمولی پردازش کنند که فقط می‌توانند در یک حالت باشند و فقط مستقل از یکدیگر عمل کنند. مهار خواص کوانتومی اما برای به دست آوردن هر یک از این خواص عالی، باید کنترل دقیقی بر الکترون‌های یک ماده یا سایر ذرات کوانتومی داشته باشید. از برخی جهات، این با کامپیوترهای معمولی تفاوت چندانی ندارد. اینکه الکترون ها از طریق یک ترانزیستور معمولی حرکت کنند یا نه، مقدار بیت را تعیین می کند و آن را 1 یا 0 می کند. کیوبیت‌ها به جای روشن یا خاموش کردن جریان الکترون، به کنترل چیزهای پیچیده‌ای مانند اسپین الکترون نیاز دارند. برای ایجاد یک کیوبیت، دانشمندان باید نقطه ای را در یک ماده پیدا کنند تا بتوانند به این ویژگی های کوانتومی دسترسی داشته باشند و آن ها را کنترل کنند. پس از دسترسی به آنها، می‌توانند از میدان‌های الکتریکی یا مغناطیسی برای ایجاد برهم‌نهی، درهم‌تنیدگی و سایر ویژگی ها استفاده کنند. در بسیاری از مواد، دانشمندان این کار را با دستکاری اسپین تک تک الکترون‌ها انجام می‌دهند. اسپین الکترون شبیه به چرخش یک تاپ است. جهت، زاویه و تکانه دارد. اسپین هر الکترون یا به سمت بالا یا پایین است. اما به عنوان یک ویژگی مکانیکی کوانتومی، اسپین می تواند در ترکیبی از بالا و پایین وجود داشته باشد. برای تأثیرگذاری بر اسپین الکترون، دانشمندان از امواج مایکروویو و آهنربا استفاده می کنند. آهنرباها و مایکروویوها به همراه هم به دانشمندان اجازه می دهند کیوبیت را کنترل کنند. از دهه 1990، دانشمندان توانستند کنترل بهتر و بهتری بر اسپین الکترون به دست آورند. این به آنها اجازه می‌دهد تا به حالت های کوانتومی دسترسی داشته باشند و اطلاعات کوانتومی را بیش از هر زمان دیگری دستکاری کنند. چه آنها از اسپین الکترون استفاده کنند یا از روش دیگری، همه کیوبیت ها قبل از اینکه بتوانیم آنها را افزایش دهیم با چالش های بزرگی روبرو هستند. دو مورد از بزرگترین آنها زمان انسجام و تصحیح خطا هستند.

هنگامی که کامپیوتری را اجرا می کنید، باید بتوانید اطلاعاتی را ایجاد و ذخیره کنید، آن را به حال خود رها کنید و بعداً برای بازیابی آن برگردید. با این حال، اگر سیستمی که اطلاعات را در خود نگهداری می کند تغییر کند، برای محاسبات بی فایده است. متأسفانه کیوبیت ها به محیط اطراف خود حساس هستند و حالت خود را برای مدت طولانی حفظ نمی کنند. در حال حاضر، سیستم‌های کوانتومی در معرض «نویز» زیادی هستند، چیزهایی که باعث می‌شوند زمان انسجام پایینی داشته باشند (زمانی که می‌توانند شرایط خود را حفظ کنند) یا خطا ایجاد می‌کنند. دانا فریدمن، دانشیار شیمی در دانشگاه وسترن شمالی می‌گوید: «اطمینان‌ یافتن از دریافت پاسخ صحیح همیشه یکی از بزرگترین موانع در محاسبات کوانتومی است.» حتی اگر بتوانید آن نویز را کاهش دهید، باز هم خطاهایی وجود خواهد داشت. جولیا گالی، شیمیدان کوانتومی و فیزیکدان در آزمایشگاه ملی آرگون و دانشگاه شیکاگو می گوید: «ما باید قبل از اینکه بتوانیم تفاوت بزرگی به کمک محاسبات کوانتومی ایجاد کنیم، باید فناوری بسازیم که قادر به تصحیح خطا باشد.» هر چه کیوبیت های بیشتری در بازی داشته باشید، این مشکلات بیشتر می شود. در حالی که قوی ترین کامپیوترهای کوانتومی امروزی حدود 50 کیوبیت دارند، این احتمال وجود دارد که برای حل مشکلاتی که ما می خواهیم به صدها یا هزاران کیوبیت نیاز داشته باشیم. کاوش در گزینه‌ها هنوز هیچ برنده واقعی برای نحوه ساخت کیوبیت ‌ها مشخص نشده است. [مدل‌های مختلف] ممکن است جایگاه خود را برای کارایی‌های متفاوت داشته باشند. علاوه بر محاسبات، مواد کوانتومی متفاوتی ممکن است برای حسگری کوانتومی یا ارتباطات کوانتومی شبکه‌ای مفید باشند. برای کمک به حرکت کیوبیت ها به جلو، دفتر علوم DOE از تحقیقات بر روی تعدادی از فناوری‌های مختلف پشتیبانی می‌کند. عرفان صدیقی، فیزیکدان کوانتومی در آزمایشگاه ملی DOE Lawrence Berkeley و دانشگاه کالیفرنیا، برکلی ، می‌گوید: "برای درک پتانسیل علمی عظیم محاسبات کوانتومی، باید تحقیق و توسعه کوانتومی را با کاوش همزمان طیفی از راه‌حل‌های مختلف تصور کنیم." کیوبیت‌های ابررسانا کیوبیت‌های ابررسانا در حال حاضر پیشرفته ترین فناوری کیوبیت هستند. اکثر رایانه‌های کوانتومی موجود از کیوبیت‌های ابررسانا استفاده می‌کنند، از جمله رایانه‌ای که سریع‌ترین ابررایانه جهان را شکست داد. آنها از ساندویچ‌های فلزی-عایق-فلزی به نام اتصالات جوزفسون استفاده می کنند. دانشمندان برای تبدیل این مواد به ابررساناها - موادی که الکتریسیته می تواند بدون تلفات از آنها عبور کند - آنها را تا دمای بسیار سرد پایین می آورند. در میان اجزای دیگر ماده، جفت الکترون‌ها(زوج کوپر) به‌طور منسجمی در ماده حرکت می‌کنند که گویی ذره‌ای منفرد هستند. این حرکت باعث می‌شود که حالت‌های کوانتومی عمر طولانی‌تری نسبت به مواد معمولی داشته باشند. صدیقی و همکارانش برای افزایش مقیاس کیوبیت‌های ابررسانا، در حال مطالعه چگونگی ساخت بهتر آنها با پشتیبانی دفتر علوم هستند. تیم او چگونگی بهبود اتصال جوزفسون، یک مانع عایق نازک بین دو ابررسانا در کیوبیت را بررسی کرده است. این مانع با تأثیر بر نحوه جریان الکترون‌ها، کنترل سطوح انرژی الکترون‌ها را ممکن می‌سازد. ایجاد این اتصال تا حد امکان سازگار و کوچک می‌تواند زمان انسجام کیوبیت را افزایش دهد. در یک مقاله در مورد این اتصالات ، تیم صدیقی دستور العملی برای ساخت یک پردازنده کوانتومی هشت کیوبیتی، با مواد آزمایشی و دستورالعمل های گام به گام ارائه می دهد. کیوبیت‌ها با استفاده از نقص‌ها(تهی‌جا) نقص‌ها فضاهایی هستند که اتم‌ در بعضی نقاط شبکه یک ماده قرار ندارد و داخل ساختار اتمی ماده جای خالی داریم. این فضاها نحوه حرکت الکترون ها در مواد را تغییر می دهند. در مواد کوانتومی خاصی، این فضاها الکترون‌ها را به دام می‌اندازند و به محققان اجازه می‌دهند به اسپین‌های آن‌ها دسترسی پیدا کنند و آن‌ها را کنترل کنند. برخلاف ابررساناها، این کیوبیت ها همیشه نیازی به دمای بسیار پایین ندارند. آنها پتانسیل این را دارند که زمان انسجام طولانی داشته باشند و در مقیاس بزرگ تولید شوند. در حالی که الماس ها معمولاً به دلیل نایاب بودن ارزش‌‌گذاری می‌شوند، وجود نقص در آنها برای کیوبیت‌ها بسیار مفید است. افزودن یک اتم نیتروژن به مکانی که معمولاً یک اتم کربن در الماس وجود دارد، چیزی را ایجاد می کند که به آن نیتروژن تهی‌جا می‌گویند. محققان راهی برای ایجاد یک شابلون به طول تنها دو نانومتر برای ایجاد این الگوهای نقص پیدا کردند. این فاصله به افزایش زمان انسجام این کیوبیت‌ها و درهم‌تنیدگی آنها کمک می کند. اما نقص‌های مفید فقط به الماس محدود نمی شود. الماس ها گران، کوچک و به سختی کنترل می شوند. نیترید آلومینیوم و کاربید سیلیکون ارزان‌تر، استفاده آسان‌تر و در الکترونیک روزمره رایج هستند. گالی و تیمش از تئوری برای پیش‌بینی چگونگی اعمال فشار فیزیکی بر نیترید آلومینیوم برای ایجاد حالت‌های الکترونی برای کیوبیت‌ها استفاده کردند. از آنجایی که نیتروژن تهی‌جا به طور طبیعی در نیترید آلومینیوم رخ می‌دهد، دانشمندان باید بتوانند اسپین الکترون را در آن کنترل کنند، همانطور که در الماس انجام می‌دهند. گزینه دیگر، کاربید سیلیکون است که در حال حاضر در چراغ های LED، لوازم الکترونیکی قدرت و نمایشگرهای الکترونیکی استفاده می‌شود. تیم Awschalom دریافتند که نقص‌های خاصی در کاربید سیلیکون زمان‌های انسجامی مشابه یا طولانی‌تر از موارد موجود در نیتروژن تهی‌جا در الماس دارند. در کارهای تکمیلی، گروه گالی مدل‌های نظری را توسعه دادند که زمان‌های انسجام طولانی‌تر را توضیح می‌داد. «بر اساس کار نظری، ما شروع به بررسی این مواد در مقیاس اتمی کردیم. ما متوجه شدیم که حالت های کوانتومی همیشه وجود دارند، اما هیچ کس به دنبال آنها نبوده است. حضور و رفتار قوی آنها در این مواد غیرمنتظره بود. ما تصور می‌کردیم که خواص کوانتومی آن‌ها به دلیل برهم‌کنش با اسپین‌های هسته‌ای نزدیک کوتاه خواهد بود.» از آن زمان، تیم او این کیوبیت ها را در ویفرهای الکترونیکی تجاری جاسازی کرد و متوجه شد که آنها به طرز شگفت آوری خوب عمل می کنند. این ویژگی می‌تواند به آنها اجازه دهد تا کیوبیت ها را با الکترونیک متصل کنند. مواد بر اساس طراحی در حالی که برخی از دانشمندان در حال بررسی نحوه استفاده از مواد موجود هستند، برخی دیگر روش متفاوتی را اتخاذ می کنند - طراحی مواد از ابتدا. این رویکرد مواد سفارشی را مولکول به مولکول می سازد. با سفارشی سازی فلزات، مولکول ها یا یون های متصل به فلزات و محیط اطراف، دانشمندان به طور بالقوه می‌توانند حالت های کوانتومی را در سطح یک ذره واحد کنترل کنند.  فریدمن می‌گوید: "وقتی در مورد درک و بهینه‌سازی ویژگی‌های کیوبیت صحبت می‌کنید، دانستن اینکه هر اتم در یک سیستم کوانتومی دقیقاً همان جایی است که می‌خواهید بسیار مهم است." با این رویکرد، دانشمندان می‌توانند مقدار اسپین هسته‌ای (اسپین هسته یک اتم) را در محیط کیوبیت محدود کنند. بسیاری از اتم های حاوی اسپین هسته ای باعث ایجاد نویز مغناطیسی می‌شوند که حفظ و کنترل اسپین الکترون را دشوار می‌کند که زمان انسجام کیوبیت را کاهش می‌دهد. فریدمن و تیمش محیطی را ایجاد کردند که چرخش هسته‌ای بسیار کمی داشت. با آزمایش ترکیب‌های مختلف حلال‌ها، دماها و یون‌ها/مولکول‌های متصل به فلز، آن‌ها به زمان انسجام ۱ میلی‌ثانیه‌ای دست یافتند.مولکولی که حاوی فلز وانادیوم است. این زمان انسجام بسیار طولانی‌تر نسبت به زمانی بود که قبلاً در یک مولکول به دست آمده بود. در حالی که کیوبیت‌های مولکولی قبلی زمان‌های همدوسی پنج برابر کوتاه‌تر از زمان‌های مراکز خالی نیتروژن الماس داشتند، این زمان به زمان‌های همدوسی در الماس نزدیک بود. فریدمن گفت: "این واقعا برای من شوکه کننده بود، زیرا فکر می کردم مولکول ها در این بازی ضعیف هستند و این آزمایش فضای عظیمی را برای ما باز می کند تا در آن بازی کنیم." شگفتی‌های کوانتومی همچنان ادامه دارند. آوشالوم وضعیت امروزی ما را با دهه 1950 مقایسه کرد، زمانی که دانشمندان در حال بررسی پتانسیل ترانزیستورها بودند. در آن زمان ترانزیستورها در حدود نیم اینچ طول داشتند. اکنون لپ تاپ ها دارای میلیاردها عدد از آنها هستند. محاسبات کوانتومی در مکان مشابهی قرار دارد. گالی گفت: «این ایده کلی که ما می‌توانیم روش انجام محاسبات و روش مطالعه طبیعت را با انجام شبیه‌سازی کوانتومی کاملاً تغییر دهیم، واقعاً بسیار هیجان‌انگیز است و به ما برای تلاش در این زمینه انگیزه می‌دهد.» لینک خبر: https://scitechdaily.com/creating-the-heart-of-a-quantum-computer-developing-qubits