پیشرفت‌های محاسبات کوانتومی تا کجا؟

این مطلب یکی از مجموعه مقاله‌های پرونده ویژه «کامپیوترهای کوانتومی» است که در شماره ۱۸۹ ماهنامه شبکهمنتشر شد. برای دانلود این پرونده ویژه می‌توانید اینجا کلیک کنید.

محاسبات کوانتومی یک قدم دیگر به دمای اتاق نزدیک شده‌اند
کامپیوترهای کوانتومی به‌طور معمول در دمای صفر کلوین یا نزدیک به دمای صفر کلوین کار می‌کنند. اما پژوهشگران موفق به ابداع راهکاری شدند که به آن‌ها اجازه می‌دهد این مدل محاسبات را در شرایطی انجام دهند که دما هم‌سطح با دمای اتاق باشد. تیمی از پژوهشگران به رهبری دکتر کارلوس مرلیز فیزیک‌دان کالج نیویورک با موفقیت توانستند فناوری میکروسکوپی پویش چندرنگی را توسعه دهند. این فناوری به آن‌ها اجازه داد، روش انتقال بار را مشاهده کنند. نتایج به‌دست آمده از این پروژه به ما نشان داد فرآیند انتقال بار میان مراکز رنگ حفره ـ نیتروژن در الماس (Nitrogen-Vacancy color centers in diamond) امکان‌پذیر است. دستاورد این گروه تحقیقاتی در نوع خود جالب توجه است، به‌دلیل اینکه اکنون می‌دانیم فرآیند پردازش اطلاعات کوانتومی در تعامل با الماس‌ها و آن هم در مقیاس نانو امکان‌پذیر است. 

این تیم تحقیقاتی گفته‌اند: «دستیابی به این موفقیت نه‌تنها اجازه می‌دهد تا پردازش اطلاعات کوانتومی را در دمای محیطی انجام دهیم، بلکه امکان ذخیره‌سازی اطلاعات نوری را در یک فضای سه‌بعدی نیز امکان‌پذیر می‌سازد.» مراکز حفره نیتروژن (NV) موسوم به Nitrogen-Vacancy یک نقص فعال نوری روی الماس هستند. این حفره‌ متشکل از یک اتم نیتروژن و یک جای خالی است که در مجاورت یکدیگر قرار داشته و جایگزین اتم کربن در شبکه الماس شده است. این حفره حاوی الکترون‌هایی است که می‌توانند اطلاعات کوانتومی را ذخیره‌سازی کنند. برای آنکه بتوان از این ویژگی خاص در محاسبات کوانتومی استفاده کرد، باید شبکه‌ای تعاملی از مراکز حفره نیتروژن ایجاد کرد. دکتر هریشانکار جایاکومار فوق دکتری فیزیک کوانتوم و عضو گروه Meriles در این ارتباط گفته است: «نتایج اولیه به‌دست آمده از این پژوهش امیدوارکننده بوده‌اند.»

تراشه‌ای حاوی نانولوله‌های کربنی
در حالی که پیشرفت‌ها در حوزه کوانتوم در چند سال گذشته قابل توجه بوده‌اند، اما هنوز هم حوزه‌های متعددی وجود دارند که می‌توان آن‌ها را توسعه داد. یکی از زیرساخت‌های کلیدی که در زمینه طراحی کامپیوترهای کوانتومی باید توسعه پیدا کند، غلبه بر مشکل مقاومت نوری در محاسبات کوانتومی است. تا به امروز دانشمندان حوزه فیزیک به‌دنبال آن بودند تا یک ساطع‌کننده (نشردهنده) تک‌فوتونی (Single-photon emitters) را به‌شکلی طراحی کنند که بتوان آن‌ را روی یک تراشه قرار داد. در همین راستا، گروهی از دانشمندان دانشگاه مونستر و مؤسسه فناوری کارلسروهه آلمان راهکاری در این زمینه ارائه کردند. در حالی که ابزار آن‌ها تنها یک نمونه مفهومی است، اما آن‌ها بر این باور هستند که می‌توان از نانولوله‌هایی که با جریان الکتریکی هدایت می‌شوند، به‌جای یک لیزر پمپی (Pump laser) به‌منظور نشر فوتون‌ها استفاده کرد. این ‌کار راه را برای ساخت مدارهای کوانتومی تمام فوتونی که روی یک تراشه قرار می‌گیرند هموار می‌سازد. 
این گروه از دانشمندان از نانولوله کربنی به‌منظور ساطع‌کننده فوتون استفاده کردند. این نانولوله منفرد به همراه دو نانوسیمی که به الکترودهای طلا متصل شده بودند، در اثر اعمال جریان الکتریکی فوتون را ساطع می‌کردند. دستاورد این گروه از پژوهشگران راه را برای تولید مدارهای کوانتومی فوتونیکی روی یک تراشه هموار می‌کند. امروزه تحولاتی که در ارتباط با پیشرفت محاسبات کوانتومی در جریان است حول این موضوع قرار دارند که از چرخش هسته اتم یا الکترون‌ها می‌توان آرایه‌هایی از یون‌های به دام افتاده یا شکل دیگری از ماده را به‌وجود آورد که به‌عنوان کوبیت‌ها یا بیت‌های کوانتومی مورد استفاده قرار گیرند. اما تمام سامانه‌های فتونیکی که امروزه وجود دارند با مشکل فروش در بازار روبه‌رو هستند. اولین مشکل به‌واسطه فقدان برهم‌کنش میان فوتون‌ها (نبود تعامل میان فوتون‌ها) به‌وجود آمده است که همین موضوع مانع از آن می‌شود تا بتوان یک گیت منطقی تمام فوتونیک را ایجاد کرد. مشکل دوم در ارتباط با چالش‌های مهندسی است که امکان قرار دادن منابع تک‌فوتونی کوچک روی یک تراشه آن هم در اندازه یک تراشه کامپیوتری را با مشکل روبه‌رو کرده است. 

پژوهشگران دانشگاه ماری و پیرکوری فرانسه موفق شدند با استفاده از 2000 اتم سزیم نازک‌ترین نانوآیینه جهان را تولید کنند. این نانوآیینه 200 مرتبه نازک‌تر از موی سر انسان است. بنابر گزارش منتشر شده، آیینه فوق بازتاب بسیار بالایی دارد

این سامانه‌های ساطع‌کننده فوتون به‌دلیل اینکه به‌صورت نوری پمپ می‌شوند به فیلترهای نوری دقیقی نیاز دارند که این فیلترها فضای زیادی را اشغال می‌کند. اما در مقابل نانولوله‌های کربنی در صورتی که جریان الکتریکی یا نوری به آن‌ها تابانده شود، قادر به تولید نور قابل رؤیت و مادون قرمز هستند. این دستاورد دانشمندان زمانی که مورد تأیید نهایی قرار گیرد، نیاز به لیزرهای پمپی یا نوری را برطرف خواهد کرد. 

نانوهرم‌هایی که در قامت ریزدیودها به ساخت کامپیوترهای کوانتومی کمک می‌کنند
دکتر امانوئل پلوچی از مؤسسه ملی تیندال با استفاده از فرآیندهای لیتوگرافی گسترش‌پذیر پژوهشگران این مؤسسه واقع در کورک ایرلند، موفق به ابداع راهکاری شدند که به آن‌ها اجازه می‌دهد، دیودهای ساطع‌کننده نور نقطه کوانتومی را شبیه به هرم‌ها طراحی کنند. این هرم‌ها قادر هستند فوتون‌های درهم‌تنیده را ایجاد کنند. ساختارهای میکرونی فوق این پتانسیل را دارند تا در آرایه‌های بزرگ تکثیر شوند و از آن‌ها برای ساخت LED در مقیاس بسیار زیر استفاده شود که امکان کنترل جداگانه هریک از آن‌ها امکان‌پذیر است. از این نانوهرم‌ها در ساخت کامپیوترهای کوانتومی مبتنی بر فوتونیک می‌توان استفاده کرد. جایی که از این فوتون‌های پلاریزه و درهم‌تینده به‌منظور کدگذاری اطلاعات کوانتومی می‌توان استفاده کرد.

 امروزه تحولاتی که در ارتباط با پیشرفت محاسبات کوانتومی در جریان است حول این موضوع قرار دارند که از چرخش هسته اتم یا الکترون‌ها می‌توان آرایه‌هایی از یون‌های به دام افتاده یا شکل دیگری از ماده را به‌وجود آورد که به‌عنوان کوبیت‌ها یا بیت‌های کوانتومی مورد استفاده قرار گیرند

فرآیند تولید اصلی شامل رشد هم‌بافته (Epitaxial growth) نقاط کوانتومی (QDs) (سرنام Quantum Dots) به‌شکل معکوس درون ساختارهای هرمی‌شکل تورفته‌ای است که از طریق فرآیند لیتوگرافی الگودهی می‌شود. هریک از این ساختارها 5 میکرون عرض دارند. دکتر امانوئل پلوچی رییس بخش اپیتکسی و فیزیک نانوساختارها و همچنین عضو بنیاد علوم ایرلند در مؤسسه ملی تیندال در ارتباط با دستاوردی که تیم تحت سرپرستی او موفق به کسب آن شده‌اند، این گونه اظهار نظر کرده است: «نتایج به‌دست آمده از این پژوهش گام‌های کلیدی را در ارتباط با ساخت مدارهای فوتونیک کوانتومی ادغام‌شونده برداشته است. مدارهایی که در زمینه انجام پردازش‌ها و محاسبات مورد استفاده قرار می‌گیرند.»

تولید کوبیت کوانتومی بر مبنای فناوری‌های امروزی
پژوهشگران مؤسسه فناوری لتی فرانسه همراه با بخش تحقیقات پایه مؤسسه INAC و دانشگاه گرونویل آلپ از طریق فرآیندهای استاندارد صنعتی امروزی موفق به ساخت کوبیت چرخشی مبتنی بر نقاط کوانتومی شدند که از فناوری رایج CMOS استفاده می‌کند. دستاورد این گروه از پژوهشگران راه را برای ساخت کوبیت‌ها در مقیاس صنعتی هموار می‌کند. این کوبیت‌ها شامل دو گیت، یک ترانزیستور نوع p و کانال‌ دوپ نشده (Undoped channel) هستند. زمانی که دما کاهش پیدا می‌کند، گیت اول یک نقطه کوانتومی را به‌منظور کدگذاری یک کوبیت اسپین حفره تعریف می‌کند. در ادامه گیت دوم یک نقطه کوانتومی را تعریف می‌کند. این نقطه کوانتومی به‌منظور بازخوانی کوبیت مورد استفاده قرار می‌گیرد. تا به امروز کوبیت‌های چرخشی نیمه‌هادی در آزمایشگاه‌ها تولید می‌شدند و بیشتر مورد توجه مراکز تحقیقاتی دانشگاهی قرار داشتند.

شکل 1- CMOS qubit device

پژوهش‌هایی که تا به امروز انجام گرفته بود بر مبنای فناوری FDSOI انجام می‌شد، اما نتایج به‌دست آمده از پژوهش اخیر نشان داد که با استفاده از استانداردهای امروزی صنعت الکترونیک نیز می‌توان کوبیت‌های مبتنی بر نقاط کوانتومی را تولید کرد. در این پروژه دانشمندان از ترانزیستور نوع p استفاده کردند. آن‌ها به‌جای آنکه فرآیند کدگذاری اطلاعات را در اسپین الکترون انجام دهند، این ‌کار را روی اسپین حفره انجام دادند. با استفاده از این تکنیک امکان کنترل کوبیت به‌صورت الکتریکی امکان‌پذیر است و دیگر نیاز نیست قطعات اضافی را به‌کار برد. سیلوانو فرانسچی از پژوهشگران این گروه گفته است: «ما در این پروژه عملاً نشان دادیم که می‌توان از فناوری CMOS روی اسپینترونیک کوانتومی (Quantum spintronics) نیز استفاده کرد.» با توجه به پیشرفت‌های قابل توجهی که در این زمینه انجام شده است، انتظار می‌رود در سال‌های آتی نتایج حاصل از این پژوهش جایگزین مدارهای ابررسانه امروزی شوند، به‌طوری که دورنمای جالب توجهی را در ارتباط با رمزنگاری‌های قدرتمند، جست‌وجوی سریع‌تر بانک‌های اطلاعاتی و شبیه‌سازی فرآیندهای کوانتومی پیش روی ما خواهد گذاشت.

نانوآیینه‌ای نازک‌تر از موی سر انسان 
پژوهشگران دانشگاه ماری و پیرکوری فرانسه موفق شدند با استفاده از 2000 اتم سزیم نازک‌ترین نانوآیینه جهان را تولید کنند. این نانوآیینه 200 مرتبه نازک‌تر از موی سر انسان است. بنابر گزارش منتشر شده، آیینه فوق بازتاب بسیار بالایی دارد. دستیابی به این موفقیت راه را برای ساخت مدارهای فوتونیک مبتنی بر نور هموار کرده و باعث افزایش سرعت محاسبات کوانتومی خواهد شد. نیل کورزو از پژوهشگران این پروژه گفته است: «در این پژوهش تحقیقاتی، موفق شدیم اتم‌های سزیم سرد را در ابعاد نانو به دام اندازیم. نانوالیاف‌های یک‌بعدی برهم‌کنش قدرتمندی با نور دارند. با مهندسی فاصله میان هر اتم، موفق شدیم شرایطی را مطابق با پدیده انعکاس براگ که تداخل سازنده میان امواج است، به وجود آوریم.» 

شکل 2- نازک‌ترین نانوآیینه جهان

این گروه از پژوهشگران فرانسوی نشان دادند که اتم‌ها باید در فواصل بسیار مشخصی از یکدیگر قرار داشته باشند. فاصله‌ای که نصف طول موج نور بوده که در اتم‌های سزیم این فاصله 852 نانومتر برای هر اتم سزیم است. زمانی که آرایش اتم‌ها با دقت انجام شود، نوری که میان دو اتم ساطع شده و یک مسیر رفت و برگشت را طی می‌کند، تداخل سازنده را به وجود می‌‌آورد. این رویکرد بر اساس قانون پراش براگ انجام می‌شود. آیینه‌های فوق در محاسبات نوری به‌منظور انتقال اطلاعات و همچنین در مکانیک کوانتوم می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند. این آیینه‌ها با دقت نزدیک به 20 نانومتر به‌گونه‌ای در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند که بتوانند به یکدیگر سوییچ کنند. در نتیجه این توانایی را دارند تا اطلاعات را میان دو بخش انتقال دهند. در مسیر دستیابی به این موفقیت بزرگ در محاسبات نوری دانشمندان با دو چالش عمده روبه‌رو بودند. کورزو در این ارتباط گفته است: «چالش نخست در ارتباط با محل تماس اتم‌های سزیم و نانوالیاف بود که باید این محل را مشخص می‌کردیم. چالش دوم در ارتباط با مشخص کردن فاصله میان هر اتم بود، به‌طوری که باید فاصله میان هر اتم را به‌شکل کاملاً دقیقی تعیین می‌کردیم. این دو مشکل از طریق به‌کارگیری یک شبکه نوری خوب حل شد. جایی که موفق شدیم اتم‌ها را در فاصله نصف طول موج نور به دام اندازیم. این رویکرد به ما اجازه داد، بازتاب قدرتمندی در اختیار داشته باشیم.»