استفاده از الماس، راه حلی برای تولید انبوه کامپیوتر کوانتومی

آیا هنوز منتظر ورود رایانش کوانتومی و ایجاد تحول در قدرت پردازش دیجیتال هستید؟ ممکن است کشف اخیر بتواند راه را برای تولید انبوه این کامپیوترها باز کند.

دانشمندان روشی ابداع کرده‌اند که با استفاده از عیوب ساختاری الماس به ذخیره‌سازی اطلاعات بپردازند. این روش باعث بهبود بازخوانی اطلاعات در سیلیکون و سازگاری بهتر آن برای استفاده در کامپیوترهای کوانتومی آینده خواهد بود.

برای اینکه متوجه شوید که این فرآیند چگونه انجام می‌شود، باید به اصول پایه‌ای رایانش کوانتومی نگاهی بیاندازیم؛ در این روش، ذرات اتمی در یک حالت برهم‌نهی باقی می‌مانند که درنتیجه می‌توانند به‌صورت ۰ و ۱ یا ترکیبی از این دو حالت حضور داشته باشند. برخلاف بیت‌های معمولی که در آن‌ها تنها یکی از دو حالت ۰ یا ۱ می‌تواند وجود داشته باشد.

این بیت‌های کوانتومی که آن را کیوبیت می‌نامند، در مقیاس بسیار بزرگ‌تری نسبت به بیت‌های استفاده‌شده در چیپ‌های امروزی، می‌توانند فرآیند پردازش را انجام دهند.

نگه‌داشتن ذرات در یک حالت برهم‌نهی به‌اندازه‌ای که بتوانیم از آن‌ها استفاده کنیم، یکی از چالش‌برانگیزترین مسائل برای دانشمندان است؛ اما یکی از راه‌های احتمالی برای برون‌رفت از این مشکل، استفاده از الماس به‌عنوان ماده‌ی پایه در کامپیوتر کوانتومی است.

در این روش از عیوب ساختاری الماس برای ذخیره‌سازی کیوبیت‌ها استفاده می‌شود، سپس با استفاده از نور و جریان اپتیکی به‌جای جریان الکتریکی، دیتا با سرعت فراخوانی می‌شود.

این روش بر مبنای ذخیره‌سازی کیوبیت‌ها در فضای خالی اتم‌های کربن در ساختار شبکه‌ی الماس است؛ این فضاهای خالی با اتم سایر عناصر مانند نیتروژن پر می‌شود. الکترون آزادی که از این روش به دست می‌آید، خاصیت مغناطیسی دارد و می‌توان از آن به‌عنوان کیوبیت استفاده کرد.

تا به اینجا همه‌چیز به‌خوبی پیش رفته است؛ اما بهترین تلاش‌های انجام‌شده در این زمینه به‌اندازه‌ی کافی مفید واقع نشده‌اند؛ این مشکل به دلیل طیف فرکانسی پرتو نور است.

در راستای بهبود این وضعیت، تحقیق جدیدی صورت گرفته است. دانشمندان سیلیکون را نیز وارد فرآیند تولید کیوبیت‌ کرده‌اند که طیف باریک‌تری از نور را ساطع می‌کند و دقت موردنیاز رایانش کوانتومی را تأمین می‌کند.

تا به این لحظه، نمی‌توان کیوبیت‌ها را در موقعیت برهم‌نهی خود ثابت و پایدار نگه داشت؛ اما دانشمندان امیدوارند که این مسئله با غلبه بر محدودیت‌های کاهش دما تا صفر کلوین، حل شود. دریک اِنگلاند از دانشگاه MIT و عضو گروه پژوهشی می‌گوید:

در برنامه‌ی پیش‌بینی‌شده از جریان اپتیکی برای جابجایی کیوبیت‌های فوتونیکی استفاده خواهد شد و سپس این حافظه‌های کوانتومی را می‌توان در هرجایی که لازم است استفاده کرد. تقریباً در حال نزدیک شدن به این اهداف هستیم. این پرتوها بی‌نظیر هستند.

دانشمندان تاکنون به‌طور میانگین تا ۵۰ میکرومتر فضای خالی برای ذخیره‌سازی اطلاعات در شبکه‌ی ساختاری الماس ایجاد کنند. این فضا معادل یک‌هزارم ضخامت موی سر انسان است.

ایجاد فضای خالی‌ با این دقت باهدف فرآیند ساخت جریان اپتیکی برای کامپیوترهای کوانتومی است که این هدف در حال نزدیک شدن به فاز عملیاتی است.

اگر این گروه بتواند نتایج امیدبخش خود را تا به این مرحله بهبود ببخشد، می‌توان الماس را پاسخی برای نیازهای رایانش کوانتومی دانست. آن‌ها همچنین با توسعه‌ی روش تابش نور، این امکان را فراهم کرده‌اند که بتوان بدون جابه‌جایی کیوبیت‌ها، اطلاعات آن‌ها را فراخوانی کرد.

لپ‌تاپ‌های کوانتومی در آینده‌ای نزدیک در دسترس نخواهند بود؛ اما پیشرفت‌های فراوانی درزمینه‌ی مطالعه روی مواد و روش‌های ساخت انجام‌ شده است که ممکن است روزی نسل جدید قدرت پردازشی را وارد خط تولید انبوه کند.

نتایج این تحقیقات در مجله  Nature Communications منتشر شده است.