رایانه های کوانتومی سیلیکونی

نمونه های اولیهٔ رایانه های كوانتومی كه از ذرات اتمی و زیر اتمی برای انجام محاسبات خود استفاده می كنند، عجایب آزمایشگاهی هستند و با شلیك طیف خاصی از لیزر به درون كریستالهای خاص، به آزمایش مایع درون دستگاه تولید MRI پزشكی می پردازند.
رایانه های كوانتومی می توانند در حل مسائل بزرگی مانند شكستن كدهای رمزی به صورت اعجاب انگیزی سریع باشند. امــا این نوع رایانه ها عمدتا در حد تئـوری باقی مانده اند. به همین دلیل پژوهشگران روش های مختلفی را آزمایش می كنند تا ببینند كه آیا امكان ساخت آنها هست یا خیر.
پژوهشگران دانشگاه استانفورد و دانشگاه كیو(Kieo )در ژاپن، در تلاش برای ساخت وسایل كوانتومی كاملاً مشابه با رایانه های معمولی و كلاسیك هستند. این تیم با هدف ساختن رایانه های كوانتومی، به طور كامل از مواد متعارف مورد استفاده در رایانه ها- سیلیكون- استفاده می كنند.
تادیوس لاد، یكی از پژوهشگران دانشگاه استانفورد گفت:"" طراحیهــای مبتنی بر سیلیكون بســــیار شگفت انگیزند، زیرا همهٔ مهندسین در طی بیش از ۴۰ سال گذشته، فناوری سیلیكون را دنبال كرده اند.،،
رایانه های كوانتومی برای نشان دادن بیت های اطلاعاتی، ذرات اتمی یا زیر اتمی كیوبیتها را به كار می برند. هستهٔ هر اتم می نواند همانند یك آهنربای كوچك عمل كند، و بسته به اینكه میدان مغناطیسی در چه جهتی قرار گیرد، صفر یا یك را نشان می دهد.
رایانه های موجود، از وجود یا عدم وجود جریان الكـتـریـكـی حـاصـل از تـرانزیــستــورهـا برای نشان دادن یك ها و صفرهای اطلاعات دیجیتالی استفاده می كنند. هنگامی كه یك اتم از محیطش جدا می شود، هسته در حالت كوانتومی غیر طبیعی ابر موقعیت ((Super Position قرار می گیرد. بــدین مـعنـی كـــه در آمیزه ای از تمام شرایط ممكن قرار می گیرد.
یك كیوبیت در حالت ابــر موقـعـیـت مخلوطی از ۱ و ۰ است، و رشته ای از كیوبیت ها در حالت ابر موقعیت می تواند هر تركیبی از یك ها و صفرها را به طور همزمان نشان دهد.
قدرت یك رایانه كوانتومی ناشی از توانایی آن برای كنترل و ارائهٔ همزمان تركیبات عددی مختلف جهت دستیابی بـه كـدهای رمــز است. در صورتی كه رایانـه های فـعلـی در هر زمان فقط یك پاسخ را كنترل می كنند. لذا یك رایانه كوانتومی كار بسیاری از رایانه ها را انجام می دهد.
پـــژوهشگــران در بــزرگتـرین نــمــونــه رایـانـه كـوانـتــومی كـه تا كنون ساخته شده، از فناوری رزونانس مغناطیس هسته ای ( NMR ) مایع برای دستكاری هفت كیوبیت استفاده كردند. NMR كه دارای فناوری ورای دستگاه های تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI ) است از میدان های مغناطیسی و امواج رادیویی برای تغییر و اندازه گیری هسته های اتمی در مولكول های تشكیل دهندهٔ مایع استفاده می كند. با این وجود، پژوهشگران عموماً معـتقدند كـه رایـانــه های كوانتومی NMR مایع نمی توانند بزرگتر از ۱۰ كیوبیت ساخته شوند، زیرا قدرت سیگنال های رادیویی حاصل از كیوبیت ها در مـقـایـسـه بـا سیگنـال ناخواستهٔ هر كیوبیت اضافی، به صورت تصاعدی كاهش می یابد. یك رایانــه كـوانــتـومـی بــرای استفاده از تـوانایی های عظیم خود باید شامل هزاران یا میلیون ها كیوبیت باشد. رایانه های كلاسیك امروزی شامل میلیون ها ترانزیستور هستند.
طرح پژوهشگران دانشگاه های استانفورد و كیو از فناوری NMR نیز استفاده می كند، اما به شكل جامد. طرح آنها به این صورت است كه به جای اتم های سیلیكون از ایزوتوپ سیلیكون ۲۹ استفاده كنند، زیرا در سیلیكون ۲۹ هسته ها همانند آهنربا عمل می كنند در حالی كــه سیلیكون مـعمـولی چنیـــن نیست. هسته های ایزوتوپ سیلیكون ۲۹ مشكل سیگنال های ناخواسته را كاهش می دهد. چالش دیگری كه در ساخت رایانه های كوانتومی وجود دارد، حفاظت كیوبیت ها از شرایط شكننده است.
انرژی محیط اطراف می تواند كیوبیت ها را نابسامان كند و باعث تفرق(Decoherence) آنها شود. لاد گفت كه تفرق شبـیــه حالتی است كـــه یـك رأس در حال گردش ( Spinning Top) از بین رفته یا آسیب می بیند. كیوبیتی كه به مدت طولانی تری منسجم باقی بماند، باعث می شود كه رایانه كوانتومی عملیات بیشتری را انجام دهد.
طرح سیلیكون جایگزین شده، مسأله عدم انسجام و تفرق و همچنین محافظت از هسته های مغناطیسی را مـورد توجه قرار می دهد و باعث پایدار شدن شرایط كوانتومی می شود.
طرح این پــژوهشگــران نیازمند بــه كارگیــری رشته ای از هسته های سیلیكون ۲۹ برای تشكیل یك كیوبیت است. لاد می گوید: "" اگر ویفرهای سیلیكونی موجود شكسته شوند ساختار كریستالی لبه ها، پله هایی را تشكیل می دهد و اتم های سیلیكون ۲۹ بر روی این لبــه ها نشستــه و بـه گـوشــه هـای این پله ها حركت می كنند و زنجیره هایی را ایجاد می كند. اندازه گیری جهت مغناطیسی زنجیره های حاوی فقط چند صد هستــهٔ اتمی در مقایسه با گروههایی شامل میلیاردها هستهٔ اتمی در مولكولهای مایع كار مشكلی است، بطوریكه چنین خاصیت مغناطیسی تا كنون اندازه گیری نشده است.،،
این پژوهشگران برای اندازه گیری و كنترل این زنجیره های كیوبیتی، آنها را در میدان های مغناطیسی با قدرتهای مختلف قرار می دهند و هر زنجیر به فركانس رادیویی متفاوتی پاسخ می دهد. یعنی اصولاً هر كیوبیت، كانال رادیویی مخصوص به خود دارد. لذا با تنظیم فـركانس امــواج رادیـویی با یك آنتن می تـوان آن را برای هر هسته تنظیم كرد. این سیگنال های فركانس رادیویی می توانند هسته ها را به هر طریق كه ما بخواهیم بچرخانند.
این رایانه های كوانتومی عملیات های منطقی را از طریق مراحل پیچیدهٔ چرخش انجام می دهند. این طرح، او لین طــرح پـیـشنهـاد شده برای ساخت رایانه های كوانتومی از سیلیكون نیست. بروس كان، پژوهشگر دانشگاه مریلند، طرحی را برای ساخت كیوبیت ها از اتم های فسفر كه در فواصل معینی از یك تراشه سیلیكونی گنجانده شده اند ابداع كرده است. لاد گفت، كیوبیت های این طرح از نظر تفرق مشكل كمتری دارند و احتمالاً حتی برای خواندن اطلاعات نیز از همهٔ روش های سیلیكونی كه پژوهشگران به كار می برند مناسبتر باشند.
بنا بر اظهار نظر لاد، در دراز مدت ممكن است كه طرح كا ن دارای آیندهٔ بهتری باشد، زیرا این احتمال بیشتر وجود دارد كه برای ساخت رایانه های كوانتومی قابل استفاده، نیاز به تولید دستگاه هایی شود كه دارای هزاران یا میلیون ها كیوبیت هستند. تفاوت عمده در آن است كه رایانه های ما در مدت كوتاه تری قابل حصول و واقع بینانه تر هستند، در حالی كه رایانه های كان از دسترس دورتر و بنابراین غیر متحمل تر هستند.
بنا به اظهارات لاد، طرح پژوهشگران دانشگاه های استانفورد و كیو جالب توجه است و شاید عملی ساختن آن از انواع دیگر رایانه های كوانتوم سیلیكونی آسان تر باشد. اما استفاده از تعداد زیادی كیوبیت در آن مقدور نیست.
ایلی یابلونویچ، استاد مهندسی الكترونیك دانشگاه كالیفرنیا، لوس آنجلس می گوید: كه كار این پژوهشگران ممكن است برخی از مسائل رایانه های مــوجـود را حـل كند. وی گفت كه به كارگیری رشتــه هایی از هسته های سیلیكونی ممكن است نسبت به استفاده از مایعات، دارای برتری های زیادی باشد.
با وجـود این، سـرعـت ایـن فـنـاوری كـمـتر از یك كیلو هرتز در ساعت باقی می ماند. مـیـدان هـای مـغـنـاطیــسـی بـاعـث رزونـانس هسته های اتـمی در فــركــانس هـای نسبتاً پایـیـن و كـاهش ســرعت انـــجـام فرامــین می شوند. سیگنال های رادیــویـی كــه بـرای كنـتـرل كیوبیت ها به كار برده شده اند باید با فركانس رزونانس پایین آنها هماهنگ شوند.
بــه همین خاطر، دیگر تیم های پژوهشی به جای كار با هسته های اتمی در حال كار با الكـتـرون هـا هستند. یابلونویچ می گوید: این نوع از رایانه های كوانتومی سیلیكونی بسیاری از مـزایای رایانــه های نوع دیگر را داشته و عـلاوه بـر آن دارای سرعت یك گیگاهرتز در ساعت هستند. الكترون ها نیز همانند هسته ها مانند آهنرباهای كوچكی عمل می كنند اما آنها را می توان با پالس های فوق سریع نور لیزر دستكاری كرد. مانعی كــه بـرای بـه كارگیری الكترون ها وجود دارد این است كه شرایط كوانتومی آنها در مقایسه با شرایط كوانتومی دوام كمتری دارد.
لاد می گوید: كـــه تخمین این كــه توسعـهٔ كامل رایانه های كـوانــتــومی تــا چـه مدت زمـانــی به طــول خـواهد انـجـامـیـد مشكل است اما با یك حساب سرانگشتی، این امر احتمالاً در طی ۲۰ سال آینده میسر خواهد شد.

نوشته : آقای دكتر نادر ریاحی عالم

منبع : شبکه فیزیک هوپا