ابداع یک روش کاملا جدید و امیدبخش از نحوه انجام محاسبات کوانتومی

محققان استرالیایی یک نوع جدید از کیوبیت را طراحی کرده‌اند که به گفته‌ی خودشان در نهایت می‌تواند به تولید یک کامپیوتر کوانتومی واقعی منجر شود. گفتنی است که کیوبیت‌ها به منزله‌ی بلوک‌های ساختمانی رایانه‌های کوانتومی هستند.

در حال حاضر شماری از روش‌ها برای ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی وجود دارد. بعضی از این روش‌ها فضای کمتری می‌گیرند؛ اما از طرفی نیز بسیار پیچیده هستند. برخی روش‌های دیگر نیز ساده‌تر هستند؛ اما اگر بخواهیم آن را در مقیاس بزرگتر ‌پیاده سازیم، باید از موانع زیادی عبور کنیم.

برخی از روش‌های امتحان‌شده و صحیح برای گرفتن یک کیوبیت، استفاده از تکنولوژی استانداردی موسوم به رام کردن اتم یا standard atom-taming همانند تله‌های یونی و گیره‌های نوری هستند. این موارد می‌توانند کیوبیت‌ها را به اندازه‌ی کافی نگه دارند تا تجزیه و تحلیل وضعیت کوانتومی آنها انجام شود.

برخی دیگر نیز از مدارهای ساخته‌شده از مواد ابررسانا برای تشخیص برهم‌نهی کوانتومی در جریان‌های الکتریکی لغزنده‌ی بی‌نظیر استفاده می‌کنند.

مزیت این نوع سیستم‌ها در تکنیک‌ها و تجهیزات اساسی موجود در آنها است که آنها را به روشی‌هایی نسبتا مقرون به صرفه و قابل استفاده‌ی راحت در کنار هم تبدیل می‌کند.

هزینه‌ی یادشده مربوط به فضای مورد استفاده است. در واقع تکنولوژی فوق ممکن است برای تعداد کمی از کیوبیت‌ها انجام شود؛ اما هنگامی که شما در حال بررسی صدها یا هزاران مورد از آنها از طریق یک کامپیوتر هستید، مقیاس‌های موجود به سرعت کارایی خود را از دست می‌دهند.

به لطف اطلاعات کدگذاری‌شده در هسته و الکترون یک اتم، کیوبیت سیلیکونی جدید که به نام کیوبیت فلیپ فلاپ نامیده می‌شود، می‌تواند به جای سیگنال‌های مغناطیسی با سیگنال‌های الکتریکی کنترل شود؛ یعنی اینکه کیوبیت جدید می‌تواند باعث  درهم‌تنیدگی کوانتومی در فاصله‌ی بزرگتر از  حالت قبلی شود. این قابلیت، کیوبیت فلیپ فلاپ را  به روش ارزان‌تر و راحت‌تری برای استفاده در یک کامپیوتر تبدیل می‌کند.

گیلهرم توسی، از دانشگاه نیو ساوت ویلز استرالیا یکی از پژوهشگرانی که در ایجاد کیوبیت جدید نقش داشته است در این مورد می‌گوید:

اگر آنها بیش از حد نزدیک یا بیش از حد دور از هم باشند، در آن صورت پدیده‌ی درهم‌تنیدگی کوانتومی بین بیت‌های کوانتومی رخ نمی‌دهد. درهم‌تنیدگی کوانتومی همان چیزی است که کامپیوترهای کوانتومی را به پدیده‌هایی خاص تبدیل می‌کند.

کیوبیت فلیپ فلاپ در نقطه‌ای مناسب بین این دو محدوده قرار می‌گیرد و باعث ایجاد درهم‌تنیدگی کوانتومی در میان یک فاصله چند صد نانومتری می‌شود.

به عبارت دیگر، این ممکن است همان چیزی باشد که ما  منتظرش بودیم تا بتوانیم رایانه‌های کوانتومی مبتنی بر سیلیکون را به صورت مقیاس‌پذیر در نظر بگیریم.

برای روشن‌تر شدن موضوع باید اشاره کنیم که ما تا کنون تنها یک طرح از دستگاه داشته‌ایم؛ دستگاهی که تا به حال ساخته نشده است. اما به گفته‌ی سرپرست گروه، آندره مورلو، توسعه‌ی سیستم نیز به‌اندازه‌ی همان مقاله‌ای مهم است که در سال ۱۹۹۸در مجله‌ی نیچر توسط بروس کین منتشر شده بود؛ همان مقاله‌ای که منجر به آغاز حرکت دنیا به‌سوی محاسبات کوانتومی سیلیکونی شد. به گفته‌ی مورولو:

کار ما نیز همانند مقاله‌ی کین یک تئوری است؛ یک پیشنهاد. کیوبیت مورد نظر هنوز ساخته نشده است. ما مقادیری از داده‌های آزمایشی اولیه در اختیار داریم که نشان می‌دهد روش فوق کاملا امکان‌پذیر است. بنابراین اکنون در حال تلاش برای اثبات این موضوع هستیم. اما من فکر می‌کنم این کار نیز به اندازه‌ی مقاله‌‌ی کین آینده‌نگرانه باشد.

کیوبیت فلیپ فلاپ با کدگذاری اطلاعات روی الکترون و هسته‌ی یک اتم فسفر کار گذاشته‌شده در داخل تراشه‌ی سیلیکون عمل می‌کند و به یک الگوی مشخص از الکترودها متصل شده است. در ادامه نیز تمام مجموعه تا نزدیکی صفر مطلق سرد شده و در یک میدان مغناطیسی فرو می‌رود.

سپس مقدار کیوبیت توسط ترکیبی از یک ویژگی باینری به نام اسپین تعیین می‌شود. اگر اسپین مورد نظر برای یک الکترون بالا  و برای هسته پایین باشد، کیوبیت نشان‌دهنده‌ی مقدار کلی یک خواهد بود. در حالت معکوس نیز این مقدار برابر صفر می‌شود. چنین خاصیتی باعث می‌شود تا برهم‌نهی حالت‌های اسپین در عملیات کوانتومی مورد استفاده قرار گیرد.

پژوهشگران در فلیپ فلاپ، قادر به کنترل  کیوبیت با استفاده از یک میدان الکتریکی به جای سیگنال‌های مغناطیسی هستند و  این کار دو مزیت دارد:  اول اینکه انتقال آن با مدارهای الکترونیکی معمولی آسانتر است و مهمتر از  آن هم اینکه کیوبیت‌ها می‌توانند از طریق فاصله‌های بزرگتر ارتباط برقرار کنند. توسی می‌گوید:

شما برای استفاده از این کیوبیت می‌بایست الکترون را کمی دورتر از هسته  منتقل کنید که این کار با استفاده از الکترودهای  واقع در  بخش بالا انجام می‌شود. با انجام این کار همچنین یک دیاپول یا دوقطبی الکتریکی ایجاد می‌کنید. مورولو افزود:

این نکته حیاتی است. این دیاپول‌های الکتریکی در فاصله‌ی نسبتا زیاد با یکدیگر برهم‌کنش می‌کنند؛ در فاصله‌هایی با مقیاس قابل قبول کسری از یک میکرون یا ۱۰۰۰ نانومتر.

در واقع ما اکنون می‌توانیم کیوبیت‌های تک‌اتمی را بسیار بیشتر از  آنچه که پیش از این تصور می‌کردیم جایگذاری کنیم. بنابراین فضای زیادی برای پراکنده ساختن مولفه‌های کلیدی مانند اتصالات، الکترودهای کنترل و دستگاه‌های خواندن وجود دارد؛ این در حالی  است که طبیعت دقیق اتم مانند بیت کوانتومی هم حفظ می‌شود.

ساخت این حالت آسان‌تر از دستگاه‌های مقیاس اتمی است و از سویی هم ما را قادر می‌سازد تا یک میلیون کیوبیت را در یک میلیمتر مربع قرار دهیم.

به عبارتی، کیوبیت فلیپ فلاپ جدید، نشان‌دهنده‌ی تعادلی است که می‌تواند رایانه‌های کوانتومی آینده را کوچک و به‌طور بالقوه مقرون به صرفه کند. مورولو می‌گوید:

این یک طراحی درخشان است و مانند بسیاری از جهش‌های مفهومی، به اندازه‌ای جالب است که هیچکس پیش از این  تصور نکرده است.

دستاوردهای این تحقیق در  ژورنال Nature Communications منتشر شده است.