دانشگاه اینسبروک به‌کارگیری کامپیوتر کوانتومی در مراکز سرور را امکان‌پذیر می‌کند

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، فاصله‌ای نداشته باشیم.

فیزیکدان‌های دانشگاه اینسبروک نمونه اولیه‌ای از کامپیوتر کوانتومی دام-یونی را ساخته‌اند که می‌تواند در صنعت مورد استفاده قرار بگیرد. کامپیوتر یادشده مانند مواردی که در مراکز داده در سراسر جهان یافت می‌شود، در بطن دو رک ۱۹ اینچی سرور جای می‌گیرد. در حقیقت ابعاد جمع‌وجور و عملکرد پایدار این کامپیوتر نشان می‌دهد که چگونه این فناوری می‌تواند به‌زودی در صنایع قابل دسترس باشد.

کامپیوترهای کوانتومی با تکیه‌ بر ویژگی‌های ذرات زیراتمی، برخی محاسبات را سریع‌تر از کامپیوترهای کلاسیک انجام می‌دهند. در کامپیوترهای سنتی، محاسبات پردازشی در مبنای ۲ (باینری) انجام می‌شود و هر بیت در وضعیت خاموش یا روشن قرار می‌گیرد؛ اما واحد اطلاعات کوانتومی که کیوبیت (qbit) نام دارد، با استفاده از ویژگی‌ برهم‌نهی کوانتومی (Superposition)  می‌تواند وضعیت خاموش و روشن یا هر مقداری بین آن‌ها را ارائه بدهد.

گفته می‌شود اخیرا دانشگاه اینسبروک زمینه‌های اساسی ساخت رایانه‌ی کوانتومی را در اتریش آغاز کرده است و به‌عنوان یکی از پرچم‌داران فناوری‌های کوانتومی اتحادیه اروپا، محققان دپارتمان فیزیک تجربی در اینسبروک، یک کامپیوتر کوانتومی دام-یونی در ابعاد کوچک ساخته‌اند که دستاوردی حیرت‌انگیز محسوب می‌شود. توماس مونز از دانشگاه اینسبروک، می‌گوید آزمایش‌های محاسبات کوانتومی آن‌ها معمولا فضای ۳۰ تا ۵۰ متر مربع را اشغال می‌کند که ساخت کامپیوترهای کوانتومی در ابعاد بسیار کوچک‌تر از نسخه‌های کنونی را نوید می‌دهد. وی در ادامه می‌گوید:

ما به دنبال این بودیم که فناوری‌های توسعه‌یافته در اینسبروک را در کم‌ترین فضای ممکن و در عین حال استانداردهایی که معمولاً در صنعت استفاده می‌شود، متناسب کنیم. دستگاه جدید نوید می‌دهد که رایانه‌های کوانتومی به‌زودی برای استفاده در مراکز داده آماده می‌شوند و نشان می‌دهد که برای ایجاد رایانه‌ی کوانتومی در ابعاد کوچک نیاز به کاهش عملکرد نیست.

کامپیوتر کوانتومی دام-یونی یا یون به دام افتاده یکی از روش‌های پیشنهادی برای یک کامپیوتر کوانتومی در مقیاس بزرگ است  که به لطف آن، یون‌ها یا ذرات اتمی باردار را می‌توان در فضای آزاد با استفاده از میدان‌های الکترومغناطیسی، محدود و معلق کرد. کیوبیت‌ها در حالت‌های الکترونیکی پایدار هر یون ذخیره می‌شوند و اطلاعات کوانتومی می‌توانند از طریق حرکت کوانتیزه جمعی یون‌ها در یک دام مشترک (تعامل از طریق نیروی کولن) منتقل شوند. برای القای اتصال بین حالت‌های کیوبیت (برای عملکردهای تک‌کیوبیتی) یا اتصال بین حالت‌های داخلی کیوبیت و حالت‌های حرکتی خارجی (برای درهم‌تنیدگی بین کیوبیت‌ها) از لیزر استفاده می‌شود. 

برای ساخت رایانه‌های کوانتومی در ابعاد کوچک، باید اجزای سازنده‌ی کنونی به طرز چشمگیری کاهش یابد و این کاهش طوری باشد که در عملکرد نهایی تأثیرگذار نباشد. از قرار معلوم، محققان اینسبروک به‌خوبی توانسته‌اند این فرایند را در کامپیوتر جدیدشان اعمال کنند. به‌عنوان مثال، قطعه مرکزی کامپیوتر کوانتومی دام‌یونی نصب‌شده در یک محفظه خلأ، فقط کسری از فضای مورد نیازهای قبلی را اشغال می‌کند. این فناوری توسط AQT، بخشی از دانشگاه اینسبروک و آکادمی علوم اتریش که هدف آن ساخت یک کامپیوتر کوانتومی تجاری است، در اختیار محققان قرار گرفت. تأمین سایر مؤلفه‌ها را مؤسسه فراونهافر واقع در شهر ینای آلمان برای اپتیک کاربردی و مهندسی دقیق و شرکت متخصص تولید محصولات لیزری TOPTICA Photonics در مونیخ آلمان بر عهده داشتند.

کامپیوتر کوانتومی دانشگاه اینسبروک می‌تواند به‌صورت خودکار کار کند و به‌زودی قابلیت برنامه‌ریزی آنلاین خواهد داشت. گفته می‌شود یکی از  چالش‌های ساخت این کامپیوتر اطمینان از پایداری آن در ابعاد کوچک بوده است. دستگاه‌های کوانتومی بسیار حساس هستند و در آزمایشگاه با کمک اقدامات دقیق در برابر آسیب‌های خارجی محافظت می‌شوند. به طرز حیرت‌انگیزی، تیم اینسبروک موفق شد این استاندارد کیفیت را در دستگاهی جمع‌وجور اعمال کند؛ بنابراین کامپیوتر مذکور عملکرد ایمن و بدون وقفه را تضمین می‌کند.

علاوه بر پایداری، یک عامل تعیین‌کننده برای استفاده صنعتی از رایانه کوانتومی تعداد بیت‌های کوانتومی موجود است و به‌تازگی دولت آلمان از هدف ساخت کامپیوتر کوانتومی مجهز به ۲۴ کیوبیت خبر داده است. فیزیکدانان کوانتومی اینسبروک قبلاً به این هدف رسیده‌اند. آن‌ها توانستند به‌صورت جداگانه حداکثر ۲۴ کیوبیت را با دستگاه جدید کنترل کنند و عملیات درهم‌تنیدگی کوانتومی را انجام بدهند. توماس مونز درباره‌ی چشم‌انداز محاسبات کوانتومی می‌گوید آن‌ها تا سال آینده قصد دارند کامپیوتر کوانتومی مجهز به ۵۰ کیوبیت قابل کنترل به‌صورت جداگانه توسعه بدهند.

در حال‌ حاضر محققان کوانتوم فقط از تعداد کمی کیوبیت (بیت کوانتومی) بهره می‌گیرند که با استفاده از سیستم‌های کوچک‌تر و با طراحی سفارشی، با مکانیسم‌های پیچیده‌ی کنترل و اتصال احاطه شده‌اند. کاربرد محاسبات کوانتومی برای رفع مشکلات دنیای واقعی، قبل از هر چیز به توانایی مقیاس‌پذیری و کنترل هم‌زمان هزاران کیوبیت، با هماهنگی بسیار بستگی دارد. این پیشرفت‌ها دانشمندان صنعت یادشده را به هیجان می‌آورد.

کامپیوترهای کوانتومی امروزی دارای چند دَه کیوبیت هستند؛ اما سالیان آینده این ماشین‌های پیشرفته این پتانسیل را خواهند داشت که هزاران و سپس میلیون‌ها کیوبیت را در بطن خود جای بدهند. سازندگان کامپیوتر کوانتومی در حال کار روی روش‌های مختلف برای ساخت کیوبیت‌ پایدارتر به‌منظور ایجاد پایه‌ی کوانتومی محکم‌تر برای کیوبیت‌ها و نحوه‌ی اتصال آن‌ها هستند تا اختلال‌ احتمالی در محاسبات را از گردونه خارج کنند. در جایی که سازندگان تراشه‌های سیلیکونی مرسوم در یک روش تولید خاص مستقر و محدود شده‌اند، سازندگان کامپیوتر کوانتومی پیوسته در حال جستجوی امکانات مختلف برای کیوبیت‌ها هستند.