برقراری موفق ارتباط بین اتمها در تراشههای سیلیکونی
دانشمندان موفق شدند بین اتمهای درون تراشههای سیلیکونی «ارتباط» برقرار کنند. به گزارش نتناک و به نقل از ساینسدیلی، مهندسان دانشگاه نیو ساوت ولز استرالیا راهی پیدا کردهاند تا هستههای اتمی در تراشههای سیلیکونی بتوانند با هم «حرف بزنند»، و این، مسیر ساخت رایانههای کوانتومی مقیاسپذیر را هموار میکند.
آنها با استفاده از اسپین دو هسته اتمی، «حالتهای درهمتنیده کوانتومی» ایجاد کردند؛ یعنی وضعیتی که دو ذرهی جداگانه چنان با هم مرتبط میشوند که دیگر مستقل عمل نمیکنند. این حالتهای درهمتنیدگی، همان منبع قدرتی است که رایانههای کوانتومی را از کامپیوترهای معمولی متمایز میکند.
دکتر هالی استمپ، نویسنده اصلی تحقیق، میگوید: «این دستاورد، امکان ساخت تراشههای کوانتومی آینده را با استفاده از فناوری و فرآیندهای تولید موجود فراهم میکند.»
او ادامه میدهد: «ما موفق شدیم تمیزترین و ایزولهترین سیستمهای کوانتومی را در مقیاسی که دستگاههای الکترونیکی سیلیکونی فعلی ساخته میشوند، با هم ارتباط دهیم.»
چالش مهندسان کامپیوترهای کوانتومی همیشه این بوده که بین دو نیاز متضاد تعادل برقرار کنند: محافظت از عناصر محاسباتی در برابر نویز و تداخل و در عین حال امکان تعامل آنها برای انجام محاسبات واقعی. به همین دلیل هنوز انواع سختافزارهای متفاوت در مسابقه ساخت اولین کامپیوتر کوانتومی فعال شرکت دارند؛ بعضی سریع هستند اما نویز زیاد دارند، بعضی دیگر نویز کمی دارند اما کنترل و مقیاسپذیری آنها دشوار است.
تیم دانشگاه نیو ساوت ولز روی پلتفرمی کار کرد که تا پیش از این محدودیتهای زیادی داشت. آنها از اسپین هسته اتمهای فسفر در تراشهی سیلیکونی برای ذخیره اطلاعات کوانتومی استفاده کردند.
استاد آندریا مورلو از دانشکدهی مهندسی برق و مخابرات دانشگاه فوق میگوید: «اسپین هسته اتمی، تمیزترین و ایزولهترین سیستم کوانتومی در حالت جامد است.»
او اضافه میکند: «طی ۱۵ سال گذشته، گروه ما پیشگام تمام پیشرفتهایی بوده که این فناوری را به یک رقیب جدی در دنیای محاسبات کوانتومی تبدیل کرده است. ما نشان دادیم که میتوان اطلاعات کوانتومی را بیش از ۳۰ ثانیه نگه داشت — که در جهان کوانتومی مانند یک ابدیت است — و عملیات منطقی کوانتومی را با خطای کمتر از ۱٪ انجام دادیم.»
او ادامه میدهد: «ما اولین کسانی بودیم که این کار را در یک دستگاه سیلیکونی انجام دادیم، اما ایزولاسیون بالا که هستهها را بسیار تمیز میکند، اتصال آنها در یک پردازنده بزرگ را دشوار میسازد.»
تا پیش از این، برای اینکه چند هسته اتمی با هم کار کنند، باید خیلی نزدیک هم قرار میگرفتند و توسط یک الکترون واحد احاطه میشدند.
دکتر استمپ توضیح میدهد: «الکترونها کوچکترین ذرات نیستند؛ آنها میتوانند در فضا گسترده شوند و با چندین هسته اتمی تعامل داشته باشند.»
اما محدودیت وجود دارد: «الکترون نمیتواند بینهایت گسترده شود، و اضافه کردن هستههای بیشتر به همان الکترون، کنترل هر هسته را دشوار میکند.»
او برای توضیح بهتر میگوید: «تا حالا هستهها مثل افرادی بودند که در یک اتاق عایق صدا قرار داشتند. میتوانستند با هم صحبت کنند، اما فقط در همان اتاق و تعداد محدودی میتوانستند حضور داشته باشند. این روش قابلیت گسترش نبود.»
با این پیشرفت جدید، «اتاقها به تلفن مجهز شدهاند». یعنی میتوان هستهها را با وجود فاصله به هم ارتباط داد، بدون اینکه آرامش محیط مختل شود. این «تلفنها» در واقع همان الکترونها هستند.
مارک ون بلانکنشتاین، نویسنده دیگر مقاله، میگوید: «الکترونها با توانایی گسترش در فضا میتوانند از فاصلهی نسبتا زیاد با هم ارتباط برقرار کنند، و اگر هر الکترون به یک هسته متصل باشد، هستهها میتوانند از طریق آن با هم حرف بزنند.»
فاصلهی هستههای آزمایششده حدود ۲۰ نانومتر بود — هزارم عرض موی انسان. دکتر استمپ میگوید: «اگر هر هسته را به اندازه یک انسان بزرگ کنیم، فاصله بین آنها مثل فاصله سیدنی تا بوستون خواهد بود!»
این مقیاس، همان مقیاسی است که تراشههای کامپیوتری سیلیکونی مدرن برای استفاده در کامپیوترها و تلفنهای همراه ساخته میشوند.
او میگوید: «میلیاردها ترانزیستور ۲۰ نانومتری همین حالا در جیب یا کیف شما هستند. پیشرفت واقعی ما این است که تمیزترین و ایزولهترین سیستمهای کوانتومی را در همان مقیاس تراشههای معمولی به هم وصل کردهایم. یعنی میتوانیم از فرآیندهای تولید صنعتی موجود برای ساخت رایانههای کوانتومی مبتنی بر اسپین هستهها استفاده کنیم.»
با این روش، تیم دانشگاه نیو ساوت ولز بزرگترین مانع توسعه رایانههای کوانتومی سیلیکونی را از میان برداشته است. پروفسور مورلو میگوید: «روش ما مقاوم و قابل گسترش است. اینجا فقط از دو الکترون استفاده کردیم، اما در آینده میتوانیم الکترونهای بیشتری اضافه کنیم و آنها را به شکل کشیده قرار دهیم تا هستهها حتی بیشتر گسترش پیدا کنند.»
او اضافه میکند: «الکترونها راحت جابجا و شکلدهی میشوند، بنابراین تعاملات میتوانند سریع و دقیق روشن یا خاموش شوند. این دقیقاً همان چیزی است که برای ساخت یک رایانه کوانتومی مقیاسپذیر لازم است.»