قدمی دیگر به سوی برتری کوانتومی؛ محققان ساخت پردازنده کوانتومی مبتنی بر سیلیکون را ممکن می‌کنند

در سالیان اخیر، تغییر و تحولات زیادی در دنیای غنی رایانش کوانتومی ایجاد شده است و به‌طور روزافزون رویکردها و کشفیات متعددی را شاهد هستیم که راه را برای آینده‌ای متکی به پردازش‌های کوانتومی باز می‌کند. شاید بی‌راه نباشد که بگوییم سؤال بزرگ در محاسبات کوانتومی از «آیا ما می‌توانیم این کار را انجام دهیم؟» به «آیا می‌توانیم این را به مقیاس برسانیم؟» تغییر کرده است.

به‌واقع، ما چه زمانی می‌توانیم یک مشکل بزرگ را روی سخت‌افزار کوانتومی حل کنیم که به‌وضوح یک رایانه‌ی سُنتی قادر به حل آن نیست؟ این همان جایی است که محققان، دانشمندان، شرکت‌ها و... در تکاپوی رسیدن به برتری کوانتومی هستند. برتری کوانتومی نقطه عطفی است که در آن یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند محاسبات ریاضی را که به‌طور قابل ملاحظه‌ای حتی از توانایی قوی‌ترین اَبَرکامپیوتر‌ها نیز خارج است، تکمیل کند. هنوز دقیقاً مشخص نیست که چند کیوبیت برای دستیابی به این هدف لازم است؛ زیرا محققان الگوریتم‌های جدیدی را برای افزایش عملکرد کامپیوتر‌های کلاسیک پیدا می‌کنند و سخت‌افزارهای کنونی نیز همچنان بهتر می‌شوند.

به‌زبان ساده، هنوز برای دستیابی به برتری کوانتومی به هزارن یا حتی میلیون‌ها کیوبیت بیشتر نیاز داریم. در حال حاضر یک فناوری پیشرو در این زمینه کیوبیت‌های ابررسانا به نام ترانسمون هستند؛ اما هنوز این احتمال وجود دارد که برخی از فناوری‌های دیگر در نهایت مقیاس بهتری داشته باشند و ممکن است کیوبیت‌های سلیکونی کلیدی بر قفل این اسرار باشند؛ اما چالش‌هایی نیز وجود دارد.

شاید نخستین سؤالی که ذهنتان را مشغول کرده است این باشد که چرا سلیکون می‌تواند بهتر باشد؟ سیلیکون، بدون ماده‌ای عالی برای ساخت تراشه‌ها و قطعات نیمه‌هادی است. هر شرکت نیمه‌هادی در جهان می‌داند که چگونه با استفاده از آن چیزهایی بسازد. فرآیندهای ساخت آنقدر دقیق هستند که ساخت قطعاتی با عرض تنها ۵۰ اتم نیز امکان‌پذیر است.

با این مزایا، تقریباً اکثر دستگاه‌های الکترونیکی در بطن خود از CMOS بهره می‌گیرند. CMOS یک نیمه‌هادی اکسید فلزی مکمل مبتنی بر سیلیکون است که درواقع زیربنا و استاندارد محصولات صنعتی محسوب می‌شود. بااین‌اوصاف احتمالاً عملکرد کیوبیت‌ها را بتوان با سیلیکون افزایش داد. حال، اگر مقاله نظری اخیر درست باشد، محاسبات کوانتومی مبتنی بر سیلیکون ممکن است به لطف روشی هوشمندانه جدید تفکر امکان‌پذیر شود.

به‌طور کلی، در سیلیکون، یک بیت کوانتومی یا کیوبیت اغلب حول یک اتم فسفر است. اتم‌های فسفر به‌طور تصادفی در طول رشد یک کریستال سیلیکون اضافه و جایگزین یک اتم سیلیکون می‌شوند. اما آن‌ها کاملاً مناسب نیستند؛ زیرا فسفر یک الکترون بیشتر دارد و آن الکترون در شکاف بین اتم‌ها معلق است. در دماهای پایین، الکترون به آن شکاف محدود می‌شود و به لطف محصور شدن، طوری رفتار می‌کند که انگار تنها الکترون متصل به اتم است.

این بدان معنا است که می‌توان از یک جفت حالت کوانتومی الکترون به‌عنوان مقدار یک و صفر (در اصطلاح باینری) برای یک کیوبیت یا از نور مایکروویو و لیزر برای دستکاری و خواندن وضعیت آن‌ها استفاده کرد که بسیار شبیه فرایندی مشابه در مراکز خالی نیتروژن در الماس است. همه‌چیز بسیار راحت به‌نظر می‌رسد، پس چالش اصلی چیست؟

نقطه ضعف سیلیکون این است که برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی باید کیوبیت‌ها را با هم جفت کرد. ساده‌ترین راه این است که چند اتم فسفر را به‌طور منطقی نزدیک به یکدیگر قرار داد. سپس دو کیوبیت به‌طور طبیعی ازطریق فیلدهایی که تولید می‌کنند، در کنار هر فیلد خارجی که اعمال می‌شود، تعامل خواهند داشت.

متأسفانه، برای فسفر در سیلیکون، قدرت جفت شدن بین دو کیوبیت بسته به فاصله نسبی بسیار متفاوت است و جابه‌جایی اتم فسفر در یک موقعیت شبکه اتمی می‌تواند قدرت جفت شدن را تا ضریب ۱۰ تغییر دهد تا یک شبکه قابل اعتماد از کیوبیت‌ها بسازد.

از سوی دیگر، کیوبیت‌های مبتنی بر سیلیکون نسبتاً مستعد خطا هستند. در نهایت، محققان گروه‌هایی از این کیوبیت‌ها را به‌عنوان یک کیوبیت منطقی استفاده می‌کنند که فرایند تصحیح خطا را اجرا می‌کند. اما اگر خطاها سریع‌تر از آنچه که بتوان آن‌ها را اصلاح کرد رخ دهد، این امکان‌پذیر نخواهد بود و کیوبیت‌های مبتنی بر سیلیکون در سمت اشتباه آستانه خطا قرار می‌گیرند.

آندریا مورلو، پروفسور UNSW و متصدی اصلی این پروژه می‌گوید که عملیات آن‌ها تقریباً ۹۹ درصد بدون خطا بوده است. شاید جالب باشد بدانید هنگامی که خطاها بسیار نادر هستند، تشخیص و تصحیح آن‌ها در صورت وقوع امکان‌پذیر می‌شود و این نشان می‌دهد که ساخت رایانه‌های کوانتومی با مقیاس و قدرت کافی برای انجام محاسبات مفید امکان‌پذیر است.

گفتنی است این یافته‌ها توسط دو تیم تحقیقاتی مستقل دیگر تأیید و در مجله‌ی نیچر نیز منتشر شده است. تیمی از محققان در هلند گزارش دادند که با استفاده از اسپین‌های الکترونی در نقاط کوانتومی تشکیل‌شده در پشته‌ای از سیلیکون و آلیاژ سیلیکون-ژرمانیوم، به وفاداری ۹۹٫۹ درصد در یک کیوبیت و ۹۹٫۷ درصد در دو کیوبیت دست یافته‌اند. به‌طور مشابه، تیمی از محققان ژاپنی نیز به وفاداری ۹۹٫۸ درصد یک کیوبیت و ۹۹٫۵ درصد دو کیوبیت در دو الکترون را مشاهده کرده‌اند.

این تحقیق ثابت می‌کند که کیوبیت‌های اسپین نیمه‌هادی مبتنی بر سیلیکون به اندازه کافی پایدار هستند تا اطلاعات کوانتومی را برای دوره‌های طولانی نگه دارند و می‌توانند با استفاده از تکنیک‌های موجود مورد استفاده در ساخت نیمه‌هادی مقیاس‌پذیر شوند. در حقیقت، تاکنون چالش اصلی در این زمینه انجام عملیات منطق کوانتومی با دقت بالا بوده است. مقاله‌های جدید رویکردی را ارائه می‌دهند که با استفاده از آن می‌توان به چالش یادشده به حدی غلبه کرد که خطاها سریع‌تر از آنچه به‌نظر می‌رسد اصلاح شوند.

به گفته مورلو، توانایی دستیابی به نرخ خطای کمتر از یک درصد امکان طراحی پردازنده‌های کوانتومی سیلیکونی را فراهم می‌کند که برای محاسبات مفید، مقیاس‌پذیر و قابل اعتماد کار کنند. به‌طور کلی، دستاورد محققان آینده درخشانی را برای رایانش کوانتومی نوید می‌دهد؛ اما نباید از این غافل شد که تحقیقات هنوز در مراحل اولیه است و روی تعاد کیوبیت محدودی آزمایش شده است؛ بنابراین همچنان راهی طولانی در برتری کوانتومی در پیش خواهیم داشت.