چگونه تراشه‌های سیلیکونی استاندارد می‌توانند برای محاسبات کوانتومی مورد استفاده قرار گیرند؟

منتشر‌شده در: zdnet به تاریخ ۳۱ مارس ۲۰۲۱
لینک منبع: 'We're hacking the process of creating qubits.' How standard silicon chips could be used for quantum computing

مدارهای ابر رسانا، یون‌های به‌دام‌افتاده، و دیگر تکنیک‌های ساخت صداهای عجیب و غریب که معمولا با محاسبات کوانتومی در ارتباط هستند را فراموش کنید: دانشمندان نشان داده‌اند که امکان ایجاد یک کیوبیت بر روی یک تراشه سیلیکونی استاندارد، درست مانند آن‌هایی که در هر گوشی هوشمند یافت می‌شوند، وجود دارد.

حرکت کوانتومی مبتنی بر استارتاپ بریتانیا نتایج آخرین آزمایش‌ها خود را منتشر کرده است، که محققان را دیده است که تراشه‌های سیلیکونیCMOS را تا کسری از یک درجه بالاتر از صفر مطلق (- ۲۷۳ درجه سلسیوس) خنک می‌کنند، که آن‌ها را قادر می‌سازد تا با موفقیت حالت کوانتومی یک الکترون منفرد را به مدت نه ثانیه مجزا کرده و اندازه‌گیری کنند.

سادگی ظاهری این روش، که به سخت‌افزار مشابهی که در گوشی‌های دستی و لپ‌تاپ‌ها یافت می‌شود، ضربه می‌زند، در مقایسه با روش‌های اتخاذ شده توسط بازیکنان بزرگ‌تر مانند IBM، گوگل یا هانی‌ول، در تلاش برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی در مقیاس بزرگ قابل‌توجه است.

برای ایجاد و خواندن کیوبیت‌ها، که بلوک‌های سازنده آن دستگاه‌ها هستند، دانشمندان ابتدا باید کنترل بر کوچک‌ترین ذرات کوانتومی که یک ماده را می‌سازند را حفظ کنند؛ اما روش‌های مختلفی برای انجام این کار، با درجات مختلفی از پیچیدگی وجود دارد.

برای مثال IBM و گوگل، هر دو انتخاب کرده‌اند که کیوبیت‌های ابررسانا ایجاد کنند، که نیازمند یک فرآیند تولید کاملا جدید است؛ در‌حالی‌که هانی‌ول یک تکنولوژی را توسعه داده است که به صورت جداگانه اتم‌ها را به دام می‌اندازد، تا به محققان اجازه دهد حالت‌های ذرات را اندازه‌گیری کنند.

این روش‌ها به ایجاد پردازنده‌های کوانتومی جدید در یک آزمایشگاه نیاز دارند و در مقیاس محدود هستند. برای مثال، اینتل یک پردازنده کوانتومی ابررسانایی ۴۹ کیوبیتی ایجاد کرده ‌است که در حدود ۳ اینچ مربع است، که شرکت آن را «نسبتا بزرگ» توصیف کرده ‌است، و احتمالا باعث ایجاد مشکلاتی در هنگام تولید تراشه‌های میلیون‌ها کیوبیت می‌شود که برای پیاده‌سازی دنیای واقعی در مقیاس تجاری مورد نیاز خواهد بود.

مطالعه مقاله ۱۰ شرکت برتر رایانش کوانتومی در سال ۲۰۲۱ توصیه می‌شود.

با در نظر گرفتن این موضوع، حرکت کوانتومی شروع به فهمیدن این موضوع کرد که آیا راه‌حل بهتری را می‌توان در تکنولوژی‌های موجود و اثبات‌شده یافت. جان مورتون، استاد نانوالکترونیک کالج لندن (UCL) و یکی از بنیان‌گذاران حرکت کوانتومی، به ZDNet می‌گوید: «ما به میلیون‌ها ذره نیاز داریم، و فن‌آوری‌های بسیار کمی وجود دارند که میلیون‌ها از هر چیزی را می‌سازند - اما ترانزیستور سیلیکون استثنا است.»

«بنابراین به جای افزایش مقیاس یک رویکرد جدید، ما به این مساله نگاه کردیم که آیا می‌توانیم از این قابلیت فاصله بگیریم و از این ابزارها برای ساخت چیزی مشابه اما با کیوبیت استفاده کنیم.»

همانطور که مورتون توضیح می‌دهد، وقتی یک ترانزیستور روشن می‌شود، یک دسته الکترون را می‌مکد که جریان را قادر به عبور می‌کند. با این حال خنک کردن تراشه تا دمای پایین، این فرآیند را کند می‌کند و محققان را قادر می‌سازد تا هنگام ورود یک به یک ترانزیستور، الکترون‌ها را تماشا کنند - مورتون می‌گوید: «مثل دیدن گوسفندان که وارد یک مزرعه می‌شوند.» به جای این که اجازه دهیم همه ذرات وارد شوند، محققان تنها اجازه ورود یک الکترون را دادند؛ و زمانی که ایزوله شدند، ذره می‌تواند به عنوان یک کیوبیت مورد استفاده و اندازه‌گیری قرار گیرد.

مورتون می‌گوید: «ما در حال هک کردن فرآیند ساخت کیوبیت‌ها هستیم، بنابراین همان نوع فن‌آوری که تراشه را در یک گوشی هوشمند می‌سازد می‌تواند برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی مورد استفاده قرار گیرد.»

ممکن است به مطالعه مقاله زمانی که محاسبات کوانتومی، با رایانش ابری ملاقات می‌کند. علاقمند باشید.

مزیت قابل‌توجهی که تراشه‌های سیلیکونی نسبت به روش‌های کوانتومی جایگزین ارائه می‌دهند، مقیاس است. چگالی کیوبیت که می‌توان با یک تراشه سیلیکونی به دست آورد، به دلیل اندازه کوچک الکترون‌ها بسیار بیشتر است؛ طبق گفته مورتون، این امر به یک چیپ منفرد اجازه می‌دهد که میلیون‌ها کیوبیت جمع کند، که در آن یک کامپیوتر کوانتومی ابررسانا می‌تواند کل یک ساختمان را برای بازده یکسان نیاز داشته باشد.

علاوه بر این، تراشه‌های سیلیکونی در حال حاضر بر روی چندین دهه بهبود و پیشرفت قرار دارند، به این معنی که دستگاه‌های کوانتومی می‌توانند بر روی فرآیندهای ایجاد شده و کارخانه‌های ساخت تکیه کنند. این امر به سرعت پیشرفت پردازنده‌های کوانتومی را دنبال می‌کند، در‌حالی‌که قیمت‌ها را پایین می‌آورد.

به عبارت دیگر، حرکت کوانتومی (Quantum Motion) پیشنهاد می‌کند به جای شروع از ابتدا، بهترین استفاده را از آنچه در آنجا وجود دارد کنید. مورتون می‌گوید: «به علاوه، هر بار که صنعت سیلیکون پیشرفت می‌کند، شما می‌توانید از این تکنولوژی چهارگانه سود ببرید.»

همان طور که آزمایش امیدوارکننده است، هنوز هم روزهای بسیار ابتدایی برای محاسبات کوانتومی مبتنی بر سیلیکون است: مورتون و تیم او، در حال حاضر، تنها حالت یک الکترون منفرد را ایزوله و اندازه‌گیری کرده‌اند. در گام بعدی، محققان در حال برنامه‌ریزی برای ایجاد یک دروازه کوانتومی با ترکیب دو کیوبیت با یکدیگر بر روی تراشه هستند.

یافته‌های حرکت کوانتومی، به جای آن، باید به عنوان یک طرح اولیه برای تولید تراشه‌های کوانتومی به طور موثرتر، با استفاده از فرآیندهای تولید موجود دیده شود.

یافته‌های شرکت تازه‌کار احتمالا توجه رقبای بزرگ‌تر را به خود جلب می‌کند. اینتل، برای مثال، علاقه رو به رشدی را برای فرصت‌هایی که تراشه‌های سیلیکونی برای کوانتوم ارائه می‌دهند، نشان داده است. غول سانتا کلارا باQuTech که یک استارتاپ مستقر در هلند است همکاری می‌کند تا پتانسیل کیوبیت‌های چرخشی سیلیکونی را کشف کند.

این متن با استفاده از ربات ترجمه مقالات کوانتوم ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.