کشف راه جدیدی برای انجام محاسبات کوانتومی در دمای اتاق

ايسنا/ دانشمندان روش جديدي را براي انجام محاسبات کوانتومي در دماي اتاق کشف کردند. محاسبات کوانتومي مدتهاست که به عنوان آينده محاسبات و شايد به عنوان آينده دنياي فناوري مورد ستايش قرار گرفته است، اما مهندسي يک رايانه کوانتومي که در شرايط عادي کار کند براي محققان کار آساني نيست. يکي از بزرگترين موانعي که محققان محاسبات کوانتومي بايد آن را برطرف کنند، دمايي است که اين دستگاه ها بايد در آن کار کنند. تاکنون کامپيوترهاي کوانتومي فقط در دماهاي بسيار پايين در آزمايشگاه کار کرده اند. دماي حدود منفي ۴۶۰ درجه فارنهايت، دماي کار مطلوب کامپيوترهاي کوانتومي است. اما اين يک دما که به راحتي قابل دستيابي باشد، نيست. محققان به تازگي روش جديدي را کشف کرده اند که به کامپيوترهاي کوانتومي امکان کار در دماي اتاق را مي دهد. اين کشف مي تواند به شدت هزينه ها را کاهش داده و دشواري ساخت يک دستگاه کوانتومي را کاهش دهد. ايجاد يک کامپيوتر کوانتومي که در شرايط استاندارد حرارتي کار کند، محققان را يک قدم به انجام محاسبات کوانتومي در انواع کاربردهاي جالب توجه نزديک مي کند. بيشتر کيوبيت ها(qubits) که ذرات کوانتومي اصلي براي عملکرد کامپيوترهاي کوانتومي هستند، فقط روي مواد ابررسانا کار مي کنند. ابررساناها در دماهاي بسيار پايين به بهترين وجه کار مي کنند و براي اين کار، محققان با استفاده از نقايص "سيليکون کاربيد" براي نگه داشتن کيوبيت ها در مکان هاي مربوطه استفاده مي کنند. اين کار نه تنها ساده تر است، بلکه باعث مي شود دستگاه ها بسيار مقرون به صرفه تر باشند. سيليکون کاربيد يا "SiC" چيز جديدي براي دنياي محاسبات کوانتومي نيست و مدتي است که به عنوان نگه دارنده بالقوه کيوبيت ها براي کامپيوترهاي کوانتومي مورد کاوش قرار گرفته است. اکنون محققان دانشگاه لينشوپينگ(Linköping) در سوئد دريافته اند که مي توانند کمي ويژگي هاي ساختاري سيليکون کاربيد را تغيير داده و باعث شوند که کيوبيت ها به طور کامل نگه داري شوند. محققان مي گويند: ما مسيري را شناسايي کرده ايم که نشان مي دهد يک مهندسي کوانتومي خوب مي تواند وضعيت بار کيوبيت ها را تثبيت کند. با استفاده از تئوري چگالي عملکردي و مطالعات تجربي انکسار اشعه ايکس سنکروترون، ما يک مدل را براي مراکز نقص توزيع در سيليکون کاربيد ايجاد کرديم که موجب عملکرد دستگاه در دماي اتاق مي شود. در اصل، محققان در حال ايجاد تغييراتي در سطح اتم در سيليکون کاربيد هستند تا اطمينان حاصل کنند که آنها قادر به نگه داشتن کيوبيت ها هستند و در واقع در ماده هايي که مي توانند يک کيوبيت را نگه دارند، نقص هايي به اندازه اتم ايجاد مي کنند. در پردازش کوانتومي يک کيوبيت يا بيت کوانتومي واحد پايه‌اي پردازش کوانتومي و رمزنگاري کوانتومي بوده و مشابه بيت در رايانه‌هاي کلاسيک مي‌باشد: کوچکترين واحد ذخيره اطلاعات و معياري از مقدار اطلاعات کوانتومي است. از نظر فيزيکي، کيوبيت يک سامانه کوانتومي دوحالتي است، يعني سيستمي که توسط مکانيک کوانتومي به درستي قابل توصيف است و هنگام اندازه‌گيري يکي از دو حالت ممکن خود را اختيار مي‌کند. مانند قطبش يک فوتون که در اينجا، جهتِ قطبشِ عمودي و جهتِ قطبشِ افقي دو حالت ممکن براي سامانه هستند. در يک سامانه کلاسيکي، هر بيت در هر لحظه يا در حالت صفر يا در حالت يک است، اما اصل‌هاي مکانيک کوانتومي به کيوبيت اجازه مي‌دهند که در همان حال، حالتي را برابر با برهم نهي دو حالت اصلي نيز اختيار کند، يک ويژگي که در پردازش کوانتومي بنيادي است. به عبارتي، يک کيوبيت هم ممکن است در حالت‌هاي کلاسيک صفر و يک وجود داشته باشد و هم مي‌تواند در حالت ترکيب اين دو قرار گيرد (يعني همزمان داراي هر دو حالت صفر و يک باشد). در واقع همين پديده، تفاوت اصلي بين بيت‌هاي کلاسيک و کيو بيت‌هاست. انتقال کيوبيت‌ها بنيان دانش دورنوردي کوانتومي است. "ايگور ابريکوسوف" رئيس بخش فيزيک نظري در دانشگاه لينشوپينگ توضيح داد: براي ايجاد يک کيوبيت، با استفاده از ليزر، نقص نقطه اي در يک شبکه بلوري برانگيخته مي شود و هنگامي که فوتوني ساطع مي شود، اين نقص شروع به درخشش مي کند. پيش از اين ثابت شده بود که شش قله در دامنه تابناکي SiC مشاهده مي شود که به ترتيب از PL۱ تا PL۶ نام گذاري شده اند. اکنون ما فهميديم که اين به دليل نقصي خاص است، جايي که يک لايه اتمي تکي جابجا شده در نزديکي دو موقعيت خالي در شبکه ظاهر مي شود. محققان در سال ۲۰۱۹ نيز آزمايش هايي در سطح تنظيم اتمي انجام دادند، اما در نمونه قبلي، آنها با الماس کار مي کردند. در حالي که فايده استفاده از سيليکون کاربيد اين است که نسبت به استفاده از الماس ارزان تر است. همه اينها از نظر تئوري بايد کار کند، اما مانند بسياري از موارد موجود در دنياي کوانتومي، در واقع آزمايش تئوري ها سخت تر از آن است که فکر مي کنيم. مفاهيم و رياضيات در پشت استفاده از سيليکون کاربيد براي نگه داري کيوبيت ها در دماي اتاق بررسي شده است، اما محققان هنوز تعدادي مانع عملي بر سر راه خود دارند. آنها بايد فرآيندي را تدوين کنند که به آنها امکان مي دهد اين نقص را به طور استراتژيک در SiC دقيقاً در جايي که به آن احتياج است، قرار دهند. به گفته اين تيم تحقيقاتي، آنها براي انجام اين کار بايد اساساً فرآيندهاي خاص خود را توسعه دهند که زمان مي برد. در پايان، اکتشافات انجام شده توسط اين تيم در دانشگاه لينشوپينگ هنوز در مراحل اوليه خود براي اثربخشي عملي هستند، اما اميدوار کننده به نظر مي رسد و به زودي دانشمندان کوانتومي مي توانند راهي به مراتب آسان تر براي توسعه ساختار هسته رايانه هاي کوانتومي داشته باشند. اين مطالعه در مجله Nature منتشر شده است. #باهم_شکستش_مي‌دهيم ما را در کانال «آخرين خبر» دنبال کنيد