اتم‌های سرد؛ گامی مهم برای ساخت کامپیوتر کوانتومی قابل حمل

ایده‌ی اصلی نهفته در کامپیوتر‌های کوانتومی این است که از خواص و قوانین فیزیک کوانتوم برای ذخیره‌سازی و پردازش داده‌ استفاده کرد. از این فناوری به‌عنوان انقلاب بعدی پردازشی یاد می‌شود؛ اما عملی ساختن ایده‌های آن برای استفاده در محیط‌ها و شرایط مختلف هنوز یک چالش اساسی است. به‌عبارت دیگر، با وجود اثبات مفاهیم و دلایل هیجان‌انگیز رایانش کوانتومی، منصفانه است که بگوییم جهان به‌زودی‌ قادر به پذیرش این تکنولوژی نخواهد بود و به پتانسیل و قدرت عظیم رایانش کوانتومی نزدیک نشده است. اما در یک گام مهم به سمت دستگاه‌های کوانتومی قابل حمل، محققان به دستاورد بزرگی در این زمینه دست یافته‌اند که می‌تواند حاکی از آینده بسیار روشن پردازش‌های کوانتومی باشد.

در دهه‌ی ۱۹۵۰ مردم فقط در اتاق‌های بزرگ مجهز به سیستم تهویه‌ی مناسب، به کامپیوترهای غول‌آسا دسترسی داشتند. در اواخر دهه‌ی ۷۰ تا ۸۰ میلادی، مردم به واسطه‌ی انقلاب ریزرایانه‌ها در خانه‌های خود از وجود کامپیوتر بهره‌مند شدند و تا دهه‌ی ۹۰ مردم از لپ‌تاپ‌هایی بهره می‌بردند که می‌توانستند آن را در کیف خود حمل کنند. اکنون ما رایانه‌هایی به شکل گوشی‌ هوشمند در جیب‌ خود حمل می‌کنیم که هزاران برابر از کامپیوترهای اولیه سریع‌تر هستند. این چرخه ممکن است برای کامپیوترهای کوانتومی هم رخ بدهد و به‌مرور شاهد کامپیوترهای کوانتومی در ابعاد بسیار کوچک‌تری باشیم.

اتم‌های سرد یا فوق سرد اتم‌هایی هستند که در دمای نزدیک به صفر کلوین (صفر مطلق) و معمولاً زیر چندین ده میکروکلوین (μK) حفظ می‌شوند و این دقیقا همان دمایی است که خصوصیات مکانیکی کوانتوم اتم‌ها در آن پدیدار می‌شود. برای رسیدن به چنین دمای پایین، معمولاً باید ترکیبی از چندین تکنیک استفاده شود. ابتدا اتم‌ها معمولاً از طریق خنک‌سازی لیزری در یک دام مغناطیسی نوری گیر می‌کنند و از قبل سرد می‌شوند. برای رسیدن به کمترین دمای ممکن، خنک‌سازی بیشتر با استفاده از خنک‌کننده تبخیری در یک دام مغناطیسی یا نوری انجام می‌شود.

اتم‌های فوق سرد به‌طور معمول از طریق فعل و انفعال گاز رقیق با میدان لیزر تهیه می‌شوند. در سال ۱۹۰۱، سه محقق شامل لددف، نیکولز و هول شواهدی مربوط به فشار تشعشع که نیروی ناشی از نور روی اتم‌ها ایجاد می‌کرد، کشف کردند که در نهایت منجر اختراع لیزر و ایجاد تکنیک‌های اضافه برای دست‌کاری اتم‌ها با نور شد.

استفاده از نور لیزر برای خنک کردن اتم‌ها اولین بار در سال ۱۹۷۵ با بهره‌گیری از اثر داپلر برای ایجاد نیروی تابش به یک اتم به سرعت آن پیشنهاد شد؛ روشی که به خنک‌سازی داپلر معروف است. افزون بر این ایده‌های مشابهی برای خنک کردن نمونه‌های یون‌های به دام‌افتاده ارائه شده است. استفاده از خنک‌کننده داپلر به‌صورت سه‌بعدی باعث کاهش سرعت اتم‌ها در سرعت‌هایی می‌شود که به‌طور معمول چند سانتی‌متر بر ثانیه هستند و به تولید ملاتی اپتیکی منجر می‌شود.

توسعه اولین دام مغناطیسی نوری (MOT) در سال ۱۹۸۷ یکی دیگر از گام‌های مهم در جهت ایجاد نمونه‌هایی از اتم‌های فوق سرد بود. دمای معمولی که با MOT به دست می‌آید دَه‌ها تا صدها میکروکلوین است. در حقیقت، یک تله نوری مغناطیسی با اعمال یک میدان مغناطیسی، اتم‌ها را در فضا محدود می‌کند تا لیزرها نه‌تنها یک نیروی وابسته به سرعت بلکه یک نیروی متغیر فضایی نیز فراهم کنند.

استفاده از فناوری‌های کوانتومی مبتنی بر اتم‌های خنک‌شده توسط لیزر، در حال حاضر منجر به تولید ساعت‌ اتمی شده است که برای سنجش زمان در سطوح جهانی نظیر هماهنگ‌سازی سیستم‌های ارتباطی و ناوبری الکترونیکی مانند GPS استفاده می‌شود. ساعت‌های اتمی جمع‌وجوری که می‌توانند به‌طور گسترده‌تر از جمله در فضا مستقر شوند، انعطاف‌پذیری شبکه‌های ارتباطی را افزایش می‌دهند؛ زیرا حتی اگر اختلالی در شبکه رخ بدهد، ساعت‌های محلی می‌توانند زمان‌سنجی دقیق را حفظ کنند.

با گذر از ساعت‌ها اتمی، اعتقاد بر این است که اتم سرد می‌تواند منبع انرژی مناسبی برای کامپیوتر اتمی قابل حمل باشند و آن را به شرایط عملیاتی نزدیک‌تر کنند. به‌تازگی سه محقق دانشگاه آکسفورد انگلستان به نام‌های ریون‌هال، بن یوئن و فوت در مصاحبه‌ای با مجله‌ی OSA، آخرین دستاوردهای خود را برای نشان دادن طراحی کاملاً جدید یک منبع اتم سرد در میان گذاشته‌اند. گفته می‌شود دستگاه آن‌ها برای طیف گسترده‌ای از فناوری‌های اتم سرد مناسب است. فوت در این باره می‌گوید:

در این پروژه ما طرحی جدیدی که برای اهداف تحقیقاتی ساخته بودیم، در نظر گرفتیم و آن را به‌صورت یک دستگاه جمع‌وجور توسعه دادیم. علاوه بر کاربردهای زمان‌سنجی، از دستگاه مبتنی بر اتم سرد همچنین می‌توان به‌عنوان ابزارهای برای نقشه‌برداری جاذبه، ناوبری اینرسی و ارتباطات و بررسی پدیده‌های فیزیکی در برنامه‌های تحقیقاتی مانند ماده تاریک (Dark Matter) و امواج گرانشی استفاده کرد.

اگرچه کمی متناقض به نظر می‌رسد؛ اما با استفاده از نیرویی که باعث کند شدن اتم‌ها می‌شود، می‌توان از نور لیزر برای خنک کردن اتم‌ها در دمای بسیار پایین استفاده کرد. از این فرایند می‌توان برای ایجاد منبع اتم سرد استفاده کرد که پرتویی از اتم‌های لیزر خنک‌‌کننده به سمت منطقه‌ای که برای مثال، اندازه‌گیری‌های دقیق برای زمان‌سنجی یا تشخیص امواج گرانشی انجام می‌شود، ایجاد می‌کند.‌

خنک‌سازی با لیزر معمولاً به ترکیب پیچیده‌ای از آینه‌ها برای تابش نور به اتم‌های در خلأ از تمامی جهات نیاز دارد؛ اما محققان طرحی کاملاً متفاوت ایجاد کردند که فقط از چهار آینه استفاده می‌کند. این آینه‌ها مانند هرم چیده شده‌اند و به گونه‌ای قرار گرفته‌اند که به آن‌ها اجازه می‌دهند مانند گلبرگ‌های گل از کنار یکدیگر عبور و در بالای هرم سوراخی ایجاد کنند که از طریق آن اتم‌های سرد به بیرون رانده می‌شوند. اندازه این سوراخ را می‌توان برای بهینه‌سازی جریان اتم‌های سرد به‌منظور کاربردهای مختلف تنظیم کرد. آرایش هرمی نور یک پرتوی لیزری ورودی را منعکس می‌کند که از طریق یک نمای واحد وارد محفظه خلأ می‌شود؛ بنابراین اپتیک‌ها (پرتوهای نوری) را بسیار ساده می‌کند.

در بخش پیشین متوجه شدیم که سیستم ابداعی جدید به‌منظور خنک‌سازی لیزری به چهار آینه نیاز دارند. آن چهار آینه درون منطقه خلأ منبع اتم سرد قرار می‌گیرند و با استفاده فلز و یک پوشش دی‌الکتریک ایجاد شده‌اند. به عبارتی، قابلیت تنظیم این طرح یک ویژگی کاملا جدید است. ایجاد هرم از چهار بلوک فلزی صیقلی یکسان مونتاژ را ساده می‌کند و می‌توان از آن بدون سازوکار تنظیم استفاده کرد.

محققان برای آزمایش طرح جدید منبع اتم سرد خود، تجهیزات آزمایشگاهی ساختند تا شار اتم‌های ساطع‌شده از سوراخ رأس هرم را به‌طور کامل مشخص کنند. فوت می‌گوید: «ما به شار فوق‌العاده زیادی از اتم‌های روبیدیوم دست یافتیم. بیشتر دستگاه‌های اتم سرد اندازه‌گیری‌هایی انجام می‌دهند که با تعداد اتم‌های مورد استفاده بهبود می‌یابند؛ بنابراین می‌توان از منابع با شار بیشتر برای بهبود دقت اندازه‌گیری، تقویت نسبت سیگنال به نویز یا دستیابی به پهنای باند اندازه‌گیری بزرگ‌تر استفاده کرد.»

محققان معتقدند که منبع جدید برای کاربردهای تجاری مناسب است و از آنجا که تعداد کمی از اجزای سازنده و چند مرحله مونتاژ را در بر می‌گیرد، مقیاس‌بندی تولید برای تولید چند نسخه فرایندی آسان است.

محاسبات کوانتومی سال‌ها در انحصار دانشمندان و در شرایط آزمایشگاهی در حال توسعه بوده است؛ اما پیشرفت‌های جدید، این فناوری انقلابی را به سمت کاربردهای عملی سوق می‌دهد. دستاوردهایی از جمله سیستم خنک‌کننده قوی‌تر، تراشه‌های پیشرفته‌تر، افزایش ظرفیت پردازش، پیشرفت در فرایند تصحیح خطا و... یادآوری می‌کنند که شاید تا عمومی شدن این نوع کامپیوتر در صنایع و تجارت‌های خاص، کم‌تر از یک دهه فاصله داشته باشیم.