دستاورد جدید در ساخت خازن‌ها ضخامت تراشه‌های کوانتومی را تا ۱۰۰۰ برابر کاهش می‌دهد
گفته می‌شود محققان به روشی جدید برای ساخت خازن‌ها با استفاده از مواد اتمی دست یافته‌اند که متعاقبا منجر به کوچک شدن کیوبیت‌ها و تراشه‌های کوانتومی می‌شود.
کیوبیت‌ها عناصر بسیار مهمی محسوب می‌شوند که کامپیوترهای کوانتومی قدرت پردازشی‌شان را از آن‌ها می‌گیرند. درواقع، کیوبیت‌ها همتای کوانتومی بیت‌ها در کامپیوترهای سُنتی هستند و یکی از تفاوت‌های بزرگ آن‌ها با بیت‌های مرسوم در این است که کامپیوتر کلاسیک می‌تواند مبتنی‌بر حالت A یا B (در اصطلاح باینری یک یا صفر) باشند؛ درحالی‌که کامپیوترهای کوانتومی به‌لطف کیوبیت‌ها و خواص عجیب‌وغریبشان می‌توانند از ترکیب این دو هم استفاده کنند.
برای اینکه رایانه‌های کوانتومی از نظر سرعت و ظرفیت از همتایان کلاسیک خود پیشی بگیرند، کیوبیت‌های آن‌ها که مدارهای اَبَررسانایی هستند، به‌اصطلاح باید در یک طول موج باشند و دستیابی به این مهم، به‌قیمت افزایش اندازه آن‌ها تمام می‌شود. درحالی‌که ترانزیستورهای مورد استفاده در کامپیوترهای کلاسیک تا مقیاس نانومتری کوچک شده‌اند، کیوبیت‌های ابررسانا امروزه هنوز با واحد میلی‌متر اندازه‌گیری می‌شوند و جالب است بدانید که یک میلی‌متر برابر با یک میلیون نانومتر است!
به‌عبارتی، چندین دهه است که کامپیوترهای مرسوم مبتنی بر ترانزیستور و معماری‌های آشنا ساخته می‌شوند و ما به تبحر خاصی در ساخت و توسعه این ماشین‌های پردازشی دست یافته‌ایم. در سوی دیگر، ساخت ماشین‌های کوانتومی به معنای ابداع مجدد کل ایده کامپیوتر از ابتدا تا به کنون است. در این مسیر طبیعتا مشکلات فراوانی نظیر ساخت کیوبیت‌های مقاوم و کوچک‌تر، کنترل دقیق و داشتن آن‌ها به اندازه کافی برای انجام کارهای واقعا مفید وجود دارد.
احتمالا تاکنون کامپیوترهای کوانتومی را در مقاله‌های علمی مشاهده کرده‌اید؛ ماشین‌های پردازشی بسیار غول‌آسایی که گاها ابعاد آن‌ها از یخچال‌های صنعتی نیز فراتر می‌رود. درواقع، بخش عمده‌ای از دلیل بزرگ بودن ابعاد کامپیوترهای کوانتومی به کیوبیت‌هایی باز می‌گردد که در بطن تراشه‌هایی با مدارهای بسیار بزرگ تعبیه می‌شوند و همواره با افزایش کیوبیت‌ها این تراشه‌ها نیز بزرگ‌تر می‌شوند. بنابراین هنوز با دستگاه‌های کوانتومی کوچک در ابعاد وسایل الکترونیکی کنونی فاصله زیادی داریم.
برای کوچک کردن کیوبیت‌ها و حفظ عملکرد آن‌ها، به روش جدیدی برای ساخت خازن‌هایی نیاز خواهد بود که انرژی را ذخیره می‌کند و به کیوبیت‌ها قدرت می‌دهند. اکنون پروفسور وانگ فونگ جن با همکاری Raytheon BBN موفق به ساخت خازن کیوبیتی اَبَررسانا دوبعدی شده که بسیار کوچک‌تر از نمونه‌های کنونی است. برای ساخت تراشه‌های کیوبیت، مهندسان قبلا مجبور بودند از خازن‌های مسطح استفاده کنند که صفحات باردار لازم را در کنار هم تنظیم می‌کردند. روی هم قرار دادن این صفحات باعث صرفه‌جویی در فضا می‌شود؛ اما فلزات مورد استفاده در خازن‌های موازی معمولی در ذخیره‌سازی اطلاعات کیوبیت اختلال ایجاد می‌کنند.
حال گفته می‌شود که تیم این پروژه یک لایه عایق از نیترید بور را بین دو صفحه باردار از نیوبیم دیزلنید ابررسانا قرار داده‌اند. این لایه‌ها هر کدام فقط به‌اندازه یک اتم ضخیم هستند و توسط نیروهای واندروالس، برهمکنش ضعیف بین الکترون‌ها، در کنار هم نگه داشته می‌شوند. سپس تیم خازن‌های خود را با مدارهای آلومینیومی ترکیب کرده است تا تراشه‌ای حاوی دو کیوبیت با مساحت ۱۰۹ میکرومتر مربع و ضخامت فقط ۳۵ نانومتر ایجاد کنند که ۱۰۰۰ برابر کوچک‌تر از تراشه‌های تولیدشده در روش‌های معمولی است.
نکته حائز امیت این است که وقتی تراشه کیوبیتی یادشده تا صفر مطلق خنک می‌شود، کیوبیت‌ها همان طول موج نمونه‌های کنونی را پیدا می‌کنند. این تیم همچنین ادعا می‌کند که ویژگی‌های مهمی را مشاهده کرده است که نشان می‌دهد دو کیوبیت درهم پیچیده می‌شوند و به‌عنوان یک واحد عمل می‌کنند؛ پدیده‌ای که به‌عنوان انسجام کوانتومی شناخته می‌شود. دکتر هان، یکی از متصدیان اصلی این پروژه می‌گوید دستاورد آن‌ها بدان معنا است که حالت کوانتومی کیوبیت را می‌توان دستکاری کرد و از طریق پالس‌های الکتریکی خواند. البته باید به این نکته اشاره کرد که زمان انسجام کوتاه و کمی بیش از یک میکروثانیه بوده است که نشان می‌دهد در مقایسه با حدود ۱۰ میکروثانیه برای یک خازن همسطح معمولی، در ابتدای راه استفاده از مواد دو بعدی در این زمینه هستیم.
این در حالی است که محققان دانشگاه نام‌آشنای MIT نیز اخیرا به دستاوردی در ساخت خازن‌ها دست یافته و از نیوبیم دیزلنید و نیترید بور برای ساخت خازن‌های صفحه موازی برای کیوبیت‌ها استفاده کرده‌اند. بااین‌تفاوت‌که، دستگاه‌هایی که توسط تیم MIT مورد مطالعه قرار گرفت، زمان‌های انسجام بیشتری را به‌ارمغان می‌آورد و تا ۲۵ میکروثانیه دوام می‌آورد.
مقاله‌ی مرتبط:
هان و تیمش خاطرنشان می‌کنند که به‌اصلاح تکنیک‌های ساخت خود ادامه می‌دهند و انواع دیگر مواد دو بعدی را برای افزایش زمان‌های انسجام آزمایش می‌کنند؛ مؤلفه بسیار مهمی که نشان‌دهنده مدت‌زمانی است که کیوبیت اطلاعات را ذخیره می‌کند. به گفته هان، طرح‌های جدید دستگاه‌ها باید بتوانند با ترکیب عناصر در یک پشته واندروالس یا با استقرار مواد دوبعدی برای سایر بخش‌های مدار، چیزها را حتی بیشتر کوچک کنند. هان دراین‌باره می‌گوید:
ما اکنون می‌دانیم که مواد دو بعدی ممکن است کلید ما برای ساخت رایانه‌های کوانتومی باشد. هنوز روزهای اولیه است، اما یافته‌هایی مانند این، محققان را در سراسر جهان ترغیب می‌کند تا کاربردهای جدید مواد دو بعدی را در نظر بگیرند. ما امیدواریم که در آینده شاهد کارهای بسیار بیشتری در این مسیر باشیم.
موفقیت دانشمندان در تعدیل الکترون آزاد در خلاء به بیت‌های کوانتومی قدرتمندترین کامپیوتر کوانتومی در دستان یک استارتاپ؛ «قارچ‌خور» کیوبیتی! استفاده متفاوت از اصل طرد پاولی؛ راهکار فیزیک‌دانان برای جلوگیری از پراکندگی نور در اتم‌ها کشف ابررسانایی جدید با خواص دوگانه می‌تواند تکه‌ای دیگر از پازل محاسبات کوانتومی باشد محققان برای نخستین بار به شبیه‌سازی کوانتومی باریون‌ها دست یافتند منبع phys.org
متن خبر
