تراشه کوانتومی؛ گامی دیگر به سوی تجاری‌سازی کامپیوتر‌های کوانتومی

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، فیزیکدانان حوزه کوانتوم در دانشگاه کپنهاگ از یک دستاورد جدید در زمینه فناوری کوانتومی رونمایی کردند. آن‌ها با اجرا همزمان چند کیوبیت اسپین روی یک تراشه کوانتومی، بر یک مانع کلیدی در مسیر توسعه ابرکامپیوتر‌های آینده غلبه کردند. نتیجه این پروژه می‌تواند نویدبخش استفاده از مواد نیمه رسانا به عنوان پلتفرمی برای کامپیوتر‌های کوانتومی حالت جامد، باشد.

یکی از چالش‌های موجود در مسیر توسعه یک کامپیوتر کوانتومی کاربردی، کنترل همزمان بسیاری از دستگاه‌های حافظه اصلی – کیوبیت‌ها – است. چرا که کنترل یک کیوبیت معمولاً تحت تأثیر پالس‌های کنترلی اعمال شده به کیوبیت دیگر است. به تازگی دو فیزیکدان جوان حوزه کوانتوم در مؤسسه نیلز بور دانشگاه کپنهاگ، توانسته‌اند بر این مانع غلبه کنند.

تحقیقات جهانی در زمینه کیوبیت بر اساس فناوری‌های مختلف است. در حالی که گوگل و آی‌بی‌ام با پردازنده‌های کوانتومی مبتنی بر فناوری ابررسانا پیش‌رفته‌اند، گروه تحقیقاتی UCPH روی کیوبیت‌های نیمه‌رسانا، معروف به کیوبیت‌های اسپین، کار می‌کنند.

فدریکو فدله توضیح می‌دهد: «این کیوبیت‌ها از اسپین‌های الکترونی تشکیل شده‌اند که در نانوساختار‌های نیمه‌رسانا به نام نقاط کوانتومی به دام افتاده‌اند، به طوری که حالت‌های اسپین جداگانه را می‌توان کنترل کرد و با یکدیگر درهم‌تنید».

کیوبیت‌های اسپینی این مزیت را دارند که حالت‌های کوانتومی خود را برای مدت طولانی حفظ کنند. این موضوع به طور بالقوه به آن‌ها اجازه می‌دهد تا محاسبات سریع‌تر و بی عیب‌تری را نسبت به سایر انواع پلت‌فرم‌ها انجام دهند. این کیوبیت‌ها آن‌قدر کوچک هستند که می‌توان تعداد بیشتری از آن‌ها را نسبت به سایر روش‌های کیوبیت روی یک تراشه فشرده کرد. هر چه کیوبیت بیشتر باشد، قدرت پردازش کامپیوتر بیشتر است. تیم UCPH چهار کیوبیت در یک آرایه ۲×۲ بر روی یک تراشه را ایجاد کردند.

تاکنون، بیشترین تمرکز فناوری کوانتومی بر تولید کیوبیت‌های بهتر بوده است. آناسوا چاترجی توضیح می‌دهد که این پروژه به دنبال وادار کردن کیوبیت‌ها به برقراری ارتباط با یکدیگر است. اکنون که کیوبیت‌های بسیار خوبی داریم، گام بعدی این است که آن‌ها را در مدار‌هایی به هم متصل کرده تا کیوبیت‌های متعدد با هم کار کنند. این ساختار به اندازه‌ای پیچیده است که بتوان خطا‌های محاسباتی کوانتومی را تصحیح کرد.»

مدار کوانتومی ساخته شده از ماده نیمه رسانا گالیوم آرسنید این گروه تحقیقاتی بزرگتر از اندازه یک باکتری نیست.

چاترجی، که یکی از دو نویسنده اصلی است، می‌گوید: «نکته جدید و واقعاً مهم در مورد تراشه ما این است که می‌توانیم به طور همزمان از همه کیوبیت‌ها استفاده کنیم. این کار هرگز با کیوبیت‌های چرخشی وهمچنین با بسیاری از انواع دیگر کیوبیت‌ها انجام نشده بود.»

تحقق این مدار جدید نقطه عطفی در مسیر طولانی به سمت یک کامپیوتر کوانتومی نیمه هادی است. پروفسور کوئمث که سرپرستی این تحقیق را بر عهده داشت، می‌گوید: «برای بدست آوردن پردازنده‌های کوانتومی قوی‌تر، نه تنها باید تعداد کیوبیت‌ها، بلکه تعداد عملیات همزمان را نیز باید افزایش دهیم، که دقیقاً همان کاری است که ما انجام دادیم.»

در حال حاضر، یکی از چالش‌های اصلی این است که ۴۸ الکترود کنترل تراشه باید به صورت دستی تنظیم شوند و علیرغم رانش محیطی به طور مداوم تنظیم شوند، که برای انسان کاری خسته کننده است. به‌همین دلیل است که تیم تحقیقاتی او اکنون به‌دنبال این هستند که چگونه الگوریتم‌های بهینه‌سازی و یادگیری ماشینی می‌توانند برای تنظیم خودکار استفاده شوند. برای ایجاد امکان ساخت آرایه‌های کیوبیت حتی بزرگتر، محققان همکاری با شرکای صنعتی را برای ساخت نسل بعدی تراشه‌های کوانتومی آغاز کرده‌اند. به‌طور کلی، تلاش‌های هم افزایی از علوم کامپیوتر، مهندسی میکروالکترونیک و فیزیک کوانتومی ممکن است کیوبیت‌های اسپین را به نقاط عطف بعدی هدایت کند.