کشف راه جدیدی برای انجام محاسبات کوانتومی در دمای اتاق

به گزارش ایسنا و به نقل از آی ای، محاسبات کوانتومی مدتهاست که به عنوان آینده محاسبات و شاید به عنوان آینده دنیای فناوری مورد ستایش قرار گرفته است، اما مهندسی یک رایانه کوانتومی که در شرایط عادی کار کند برای محققان کار آسانی نیست.

یکی از بزرگترین موانعی که محققان محاسبات کوانتومی باید آن را برطرف کنند، دمایی است که این دستگاه ها باید در آن کار کنند. تاکنون کامپیوترهای کوانتومی فقط در دماهای بسیار پایین در آزمایشگاه کار کرده اند. دمای حدود منفی 460 درجه فارنهایت، دمای کار مطلوب کامپیوترهای کوانتومی است. اما این یک دما که به راحتی قابل دستیابی باشد، نیست.

محققان به تازگی روش جدیدی را کشف کرده اند که به کامپیوترهای کوانتومی امکان کار در دمای اتاق را می دهد. این کشف می تواند به شدت هزینه ها را کاهش داده و دشواری ساخت یک دستگاه کوانتومی را کاهش دهد.

ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی که در شرایط استاندارد حرارتی کار کند، محققان را یک قدم به انجام محاسبات کوانتومی در انواع کاربردهای جالب توجه نزدیک می کند.

بیشتر کیوبیت ها(qubits) که ذرات کوانتومی اصلی برای عملکرد کامپیوترهای کوانتومی هستند، فقط روی مواد ابررسانا کار می کنند. ابررساناها در دماهای بسیار پایین به بهترین وجه کار می کنند و برای این کار، محققان با استفاده از نقایص "سیلیکون کاربید" برای نگه داشتن کیوبیت ها در مکان های مربوطه استفاده می کنند. این کار نه تنها ساده تر است، بلکه باعث می شود دستگاه ها بسیار مقرون به صرفه تر باشند.

سیلیکون کاربید یا "SiC" چیز جدیدی برای دنیای محاسبات کوانتومی نیست و مدتی است که به عنوان نگه دارنده بالقوه کیوبیت ها برای کامپیوترهای کوانتومی مورد کاوش قرار گرفته است. اکنون محققان دانشگاه لینشوپینگ(Linköping) در سوئد دریافته اند که می توانند کمی ویژگی های ساختاری سیلیکون کاربید را تغییر داده و باعث شوند که کیوبیت ها به طور کامل نگه داری شوند.

محققان می گویند: ما مسیری را شناسایی کرده ایم که نشان می دهد یک مهندسی کوانتومی خوب می تواند وضعیت بار کیوبیت ها را تثبیت کند. با استفاده از تئوری چگالی عملکردی و مطالعات تجربی انکسار اشعه ایکس سنکروترون، ما یک مدل را برای مراکز نقص توزیع در سیلیکون کاربید ایجاد کردیم که موجب عملکرد دستگاه در دمای اتاق می شود.

در اصل، محققان در حال ایجاد تغییراتی در سطح اتم در سیلیکون کاربید هستند تا اطمینان حاصل کنند که آنها قادر به نگه داشتن کیوبیت ها هستند و در واقع در ماده هایی که می توانند یک کیوبیت را نگه دارند، نقص هایی به اندازه اتم ایجاد می کنند.

در پردازش کوانتومی یک کیوبیت یا بیت کوانتومی واحد پایه‌ای پردازش کوانتومی و رمزنگاری کوانتومی بوده و مشابه بیت در رایانه‌های کلاسیک می‌باشد: کوچکترین واحد ذخیره اطلاعات و معیاری از مقدار اطلاعات کوانتومی است. از نظر فیزیکی، کیوبیت یک سامانه کوانتومی دوحالتی است، یعنی سیستمی که توسط مکانیک کوانتومی به درستی قابل توصیف است و هنگام اندازه‌گیری یکی از دو حالت ممکن خود را اختیار می‌کند. مانند قطبش یک فوتون که در اینجا، جهتِ قطبشِ عمودی و جهتِ قطبشِ افقی دو حالت ممکن برای سامانه هستند. در یک سامانه کلاسیکی، هر بیت در هر لحظه یا در حالت صفر یا در حالت یک است، اما اصل‌های مکانیک کوانتومی به کیوبیت اجازه می‌دهند که در همان حال، حالتی را برابر با برهم نهی دو حالت اصلی نیز اختیار کند، یک ویژگی که در پردازش کوانتومی بنیادی است. به عبارتی، یک کیوبیت هم ممکن است در حالت‌های کلاسیک صفر و یک وجود داشته باشد و هم می‌تواند در حالت ترکیب این دو قرار گیرد (یعنی همزمان دارای هر دو حالت صفر و یک باشد). در واقع همین پدیده، تفاوت اصلی بین بیت‌های کلاسیک و کیو بیت‌هاست. انتقال کیوبیت‌ها بنیان دانش دورنوردی کوانتومی است.

"ایگور ابریکوسوف" رئیس بخش فیزیک نظری در دانشگاه لینشوپینگ توضیح داد: برای ایجاد یک کیوبیت، با استفاده از لیزر، نقص نقطه ای در یک شبکه بلوری برانگیخته می شود و هنگامی که فوتونی ساطع می شود، این نقص شروع به درخشش می کند. پیش از این ثابت شده بود که شش قله در دامنه تابناکی SiC مشاهده می شود که به ترتیب از PL1 تا PL6 نام گذاری شده اند. اکنون ما فهمیدیم که این به دلیل نقصی خاص است، جایی که یک لایه اتمی تکی جابجا شده در نزدیکی دو موقعیت خالی در شبکه ظاهر می شود.

محققان در سال 2019 نیز آزمایش هایی در سطح تنظیم اتمی انجام دادند، اما در نمونه قبلی، آنها با الماس کار می کردند. در حالی که فایده استفاده از سیلیکون کاربید این است که نسبت به استفاده از الماس ارزان تر است.

همه اینها از نظر تئوری باید کار کند، اما مانند بسیاری از موارد موجود در دنیای کوانتومی، در واقع آزمایش تئوری ها سخت تر از آن است که فکر می کنیم.

مفاهیم و ریاضیات در پشت استفاده از سیلیکون کاربید برای نگه داری کیوبیت ها در دمای اتاق بررسی شده است، اما محققان هنوز تعدادی مانع عملی بر سر راه خود دارند. آنها باید فرآیندی را تدوین کنند که به آنها امکان می دهد این نقص را به طور استراتژیک در SiC دقیقاً در جایی که به آن احتیاج است، قرار دهند. به گفته این تیم تحقیقاتی، آنها برای انجام این کار باید اساساً فرآیندهای خاص خود را توسعه دهند که زمان می برد.

در پایان، اکتشافات انجام شده توسط این تیم در دانشگاه لینشوپینگ هنوز در مراحل اولیه خود برای اثربخشی عملی هستند، اما امیدوار کننده به نظر می رسد و به زودی دانشمندان کوانتومی می توانند راهی به مراتب آسان تر برای توسعه ساختار هسته رایانه های کوانتومی داشته باشند.

این مطالعه در مجله Nature منتشر شده است.