فناوری مسیر ساخت رایانههای ۱۰۰ هزار کیوبیتی را هموار میکند
پژوهشگران دانشگاه کلمبیا با معرفی یک فناوری نوآورانه گام مهمی در مسیر ساخت رایانههای کوانتومی بسیار بزرگ برداشتهاند؛ سامانهای که میتواند زمینهساز توسعه رایانههایی با بیش از ۱۰۰ هزار کیوبیت باشد؛ مقیاسی که عبور واقعی از توان رایانش کلاسیک را ممکن میکند.
به گزارش scitechdaily، سباستین ویل و نانفانگ یو، فیزیکدانان دانشگاه کلمبی در مقالهای که بهتازگی در مجله معتبر Nature منتشر شده ترکیبی از دو فناوری قدرتمند تلههای نوری (Optical Tweezers) و متاسطحها (Metasurfaces) را ارائه کردهاند که امکان به دام انداختن و کنترل همزمان هزاران اتم و در آینده صدها هزار اتم را فراهم میکند.
عبور از گلوگاه کیوبیتها
رایانههای کوانتومی تنها زمانی میتوانند از رایانههای کلاسیک پیشی بگیرند که تعداد بسیار زیادی کیوبیت در اختیار داشته باشند. پیشرفتهترین سامانههای امروزی حدود هزار کیوبیت دارند، اما پژوهشگران کلمبیا در تلاشاند این عدد را چندین برابر افزایش دهند.
ویل در اینباره میگوید: ما در حال ایجاد زیرساختهای کلیدی برای ساخت رایانههای کوانتومی با بیش از ۱۰۰ هزار کیوبیت هستیم.
در این پروژه آرایههای اتم خنثی بهعنوان یکی از امیدبخشترین رویکردها برای سختافزار کوانتومی به کار گرفته شدهاند. در یک آزمایش کلیدی که با هدایت دانشجویان تحصیلات تکمیلی آرون هولمن و یوان شو انجام شد، تیم تحقیقاتی موفق شد ۱۰۰۰ اتم استرانسیم را بهطور همزمان به دام بیندازد. نتایج نشان میدهد همین روش قابلیت گسترش به سامانههایی با بیش از ۱۰۰ هزار اتم را نیز دارد.
چرا اتمها کیوبیتهای ایدهآلاند؟
اتمها بهطور طبیعی رفتارهای کوانتومی مانند برهمنهی و درهمتنیدگی را پشتیبانی میکنند و از همه مهمتر هر اتم از یک عنصر مشخص کاملا مشابه دیگری است. این ویژگی نیاز به تنظیم و همگامسازی تکتک کیوبیتها را که در سامانههای ساختهشده بهصورت مصنوعی به چالشی جدی تبدیل میشود، از میان برمیدارد.
هولمن میگوید: اتمها کیوبیتهای طبیعی هستند؛ کاملا یکسان و بهشدت فراوان. گلوگاه اصلی همیشه کنترل آنها در مقیاس بزرگ بوده است.
از تلههای نوری تا اپتیک تخت
در یک دهه گذشته پژوهشگران برای به دام انداختن اتمها از تلههای نوری یعنی پرتوهای لیزری بسیار متمرکز استفاده کردهاند. برای ساخت آرایههای بزرگ معمولا از مدولاتورهای نوری فضایی (SLM) یا انحرافدهندههای آکوستو-اپتیکی (AOD) بهره گرفته میشود؛ تجهیزاتی که حجیم، پرهزینه و محدودکننده مقیاس هستند.
در رویکرد جدید متاسطحها جایگزین این تجهیزات شدهاند. متاسطحها صفحات نوری تختی هستند که از میلیونها پیکسل نانومتری تشکیل شدهاند و میتوانند با عبور یک پرتو لیزر الگوهای بسیار پیچیدهای از نقاط کانونی ایجاد کنند.
یو توضیح میدهد: یک متاسطح را میتوان ترکیبی از دهها هزار عدسی تخت دانست که همزمان دهها هزار نقطه کانونی تولید میکنند.
در این پژوهش اندازه پیکسلها کمتر از ۲۰۰ نانومتر است در حالی که طول موج نور مورد استفاده ۵۲۰ نانومتر است؛ موضوعی که امکان تولید مستقیم آرایههای تله نوری بسیار بزرگ را فراهم میکند.
متاسطحهای ساختهشده از نیترید سیلیکون و دیاکسید تیتانیوم میتوانند شدتهای نوری بالاتر از ۲۰۰۰ وات بر میلیمتر مربع را تحمل کنند؛ شدتی حدود یک میلیون برابر نور خورشید در سطح زمین.
یوان شو میگوید: ترکیب تحمل توان بالا با قابلیت تولید انبوه دقیق در اتاقهای تمیز این پلتفرم را برای ایجاد آرایههای تله نوری عظیم منحصربهفرد کرده است.
در این تحقیق آرایههای دوبعدی یکنواخت متعددی ساخته شد؛ از جمله شبکه مربعی با ۱۰۲۴ نقطه، الگوهای شبهکریستالی و حتی طرح مجسمه آزادی با صدها اتم. همچنین یک متاسطح با قطر ۳.۵ میلیمتر و بیش از ۱۰۰ میلیون پیکسل ساخته شد که قادر به تولید آرایهای ۶۰۰ در ۶۰۰ است؛ یعنی ۳۶۰ هزار تله نوری، ظرفیتی که دو مرتبه بزرگی فراتر از فناوریهای فعلی است.
به گفته پژوهشگران این پیشرفت میتواند نهتنها به توسعه رایانههای کوانتومی بلکه به فناوریهای دیگری مانند شبیهسازهای کوانتومی برای مطالعه سامانههای پیچیده و ساعتهای اتمی نوری فوقدقیق نیز کمک کند.
ویل درباره گام بعدی میگوید: برای به دام انداختن صد هزار اتم، به یک لیزر بسیار قویتر نیاز داریم اما این هدف کاملا در دسترس و واقعبینانه است.
این دستاورد نویدبخش آغاز عصری جدید در مقیاسپذیری فناوریهای کوانتومی و نزدیکتر شدن به رایانههایی است که میتوانند مسائل حلنشدنی امروز را ممکن سازند.
انتهای پیام/
