گامی بزرگ در فناوری کوانتومی: مهار کیوبیت‌های اسپینی در دمای نزدیک به صفر مطلق
به گزارش خبرنگار دانشگاه خبرگزاری دانشجو، توسعه‌ی فناوری‌ای که امکان پایداری و دسترسی به اطلاعات کوانتومی را فراهم کند، چالشی حیاتی در توسعه‌ی رایانه‌های کوانتومی مفید است که در مقیاس بزرگ کار می‌کنند.
تحقیقاتی که امروز در مجله معتبر Nature منتشر شد، مسیری را برای افزایش تعداد ترانزیستور‌های کوانتومی (که به عنوان کیوبیت شناخته می‌شوند) روی یک تراشه از تعداد فعلی زیر ۱۰۰ به میلیون‌ها مورد نیاز برای تبدیل محاسبات کوانتومی به یک واقعیت عملی فراهم می‌کند. این نتیجه توسط الکترونیک کنترل برودتی جدید، که در دمای نزدیک به صفر مطلق کار می‌کند و در دانشگاه سیدنی توسعه یافته است، امکان‌پذیر می‌شود.
پروفسور دیوید ریلی، محقق ارشد از موسسه نانو و دانشکده فیزیک دانشگاه سیدنی، گفت: «این امر ما را از قلمرو کامپیوتر‌های کوانتومی که ماشین‌های آزمایشگاهی جذابی بودند، به مرحله‌ای خواهد رساند که می‌توانیم شروع به کشف مشکلات دنیای واقعی کنیم که این دستگاه‌ها می‌توانند برای بشریت حل کنند.»
این مقاله نتیجه همکاری صنعتی بین دانشگاه سیدنی و دانشگاه نیو ساوت ولز از طریق شرکت‌های وابسته به فناوری کوانتومی Emergence Quantum و Diraq است. شرکت Emergence Quantum متعلق به پروفسور ریلی امسال برای تجاری‌سازی فناوری‌های کنترل کوانتومی و سایر قطعات الکترونیکی پیشرفته، درست مانند تراشه ارائه شده در این مقاله Nature، تأسیس شد.
برای این تحقیق، تیم او یک تراشه سیلیکونی ساخت که می‌تواند کیوبیت‌های اسپین را در دما‌های میلی کلوین کنترل کند. این دما کمی بالاتر از صفر مطلق (-۲۷۳.۱۵ درجه سانتیگراد) است، دمایی که از نظر تئوری، ماده از حرکت باز می‌ایستد.
از میان بسیاری از فناوری‌های نوظهور کیوبیت، کارشناسان معتقدند که کیوبیت‌های اسپین (که در آنها اطلاعات بر روی جهت مغناطیسی الکترون‌های منفرد کدگذاری می‌شوند) می‌توانند به راحتی در مقیاس بزرگ توسعه یابند، زیرا مبتنی بر فناوری رایج CMOS (نیمه‌رسانای اکسید فلزی مکمل) هستند که زیربنای محاسبات مرسوم مدرن است و در حال حاضر برای چاپ میلیارد‌ها ترانزیستور استفاده می‌شود.
اولین سیستم کنترل نیمه‌هادی جهان که با کیوبیت‌ها ادغام شده است
با این حال، کیوبیت‌های اسپینی باید در دمای زیر ۱ کلوین نگهداری شوند تا اطلاعاتشان حفظ شود. برای افزایش مقیاس، آنها همچنین باید با استفاده از قطعات الکترونیکی پیچیده و یکپارچه کنترل و اندازه‌گیری شوند. این موضوع نگرانی واقعی ایجاد کرد که حتی اگر بتوانید سیستم کنترل را در آن دما به کار بیندازید، گرما و تداخل الکتریکی ایجاد شده با قرار دادن کنترل در نزدیکی کیوبیت‌ها، عملکرد آنها را کاهش می‌دهد.
تیم پروفسور ریلی برای اولین بار نشان داده است که با طراحی دقیق، لزوماً چنین چیزی ممکن نیست - یک اثبات اساسی که نشان می‌دهد کیوبیت‌های اسپین در CMOS می‌توانند به میلیون‌ها کیوبیت افزایش یابند تا یک ماشین مفید ساخته شود.
پروفسور ریلی گفت: «این نتیجه بیش از یک دهه در دست ساخت بوده و دانش لازم برای طراحی سیستم‌های الکترونیکی که مقادیر بسیار کمی از توان را هدر می‌دهند و نزدیک به صفر مطلق کار می‌کنند را فراهم کرده است. اکنون ما یک پلتفرم کنترل مقیاس‌پذیر را نشان داده‌ایم که می‌تواند بدون از بین بردن حالت‌های کوانتومی شکننده، با کیوبیت‌ها ادغام شود.
«این موضوع، امید به کنترل کیوبیت‌ها در مقیاس بزرگ را با ادغام قطعات الکترونیکی پیچیده در دما‌های بسیار پایین، تأیید می‌کند. مقاله ما نشان می‌دهد که با طراحی دقیق سیستم کنترل، کیوبیت‌های شکننده به سختی متوجه تغییر ترانزیستور‌ها در تراشه‌ای با فاصله کمتر از یک میلی‌متر می‌شوند.»
علم خوب، تجاری‌سازی خوب
کیوبیت‌ها توسط شرکت دیراک، یکی از شرکت‌های وابسته به دانشگاه نیوساوت ولز که توسط پروفسور اندرو دزورک تأسیس شده است، تأمین شده‌اند و دانش فنی که تراشه کنترل طراحی‌شده توسط دانشگاه سیدنی را امکان‌پذیر کرده است، اکنون برای پشتیبانی از بخش عمده‌ای از کار شرکت جدید Emergence Quantum، که توسط پروفسور ریلی و دکتر توماس اوکی تأسیس شده است، به کار گرفته خواهد شد.
پروفسور ریلی گفت: «این علاوه بر جنبه علمی خوب، یک داستان تجاری‌سازی خوب نیز هست و گواه بیشتری است که چرا سیدنی یک چرخ‌دنده حیاتی در صنعت کوانتومی جهانی است.»
دکتر سم بارتی، نویسنده‌ی اصلی مقاله، که به عنوان دانشجوی دکترا با پروفسور ریلی در دانشگاه سیدنی آزمایش‌هایی را انجام داده بود، اکنون در دیراک مشغول به کار است.
او گفت: «بسیار هیجان‌انگیز است که بخشی از این کار باشید، در توسعه چنین فناوری‌های قدرتمندی مشارکت داشته باشید و در این کانون تحقیقات محاسبات کوانتومی قرار بگیرید. سیدنی در حال حاضر واقعاً مکان فوق‌العاده‌ای برای یک مهندس کوانتومی است.»
دکتر کوشال داس طراح اصلی تراشه کنترل بود. او دارای سمت مشترک با دانشگاه سیدنی و شرکت Emergence Quantum است.
دکتر داس گفت: «حالا که نشان داده‌ایم کنترل میلی‌کلوین عملکرد گیت‌های کوانتومی تک و دو کیوبیتی را کاهش نمی‌دهد، انتظار داریم بسیاری از افراد از ما پیروی کنند. خوشبختانه برای ما، این کار چندان آسان نیست، اما سال‌ها طول می‌کشد تا دانش و تخصص لازم برای طراحی الکترونیک برودتی کم‌صدا که فقط به مقادیر بسیار کمی انرژی نیاز دارد، کسب شود.»
پروفسور ریلی افزود: «در اینجا ما تأثیر الکترونیک برودتی را بر افزایش مقیاس کیوبیت‌ها نشان می‌دهیم، اما کاربرد‌های متنوع‌تری را برای این فناوری می‌بینیم که از سیستم‌های حسگری کوتاه‌مدت تا مراکز داده آینده را در بر می‌گیرد.»
پروفسور اندرو زوراک، مدیرعامل دیراک، گفت: «این پیشرفت، هدف دیراک را برای ادغام کیوبیت‌های سیلیکونی ما با الکترونیک کنترل کلاسیک در یک بسته‌ی فشرده، پشتیبانی می‌کند و راه را برای رایانه‌های کوانتومی مقرون‌به‌صرفه که انرژی بسیار کمتری مصرف می‌کنند، هموار می‌سازد.»
کوانتوم نوظهور - عملیات ویژه برای الکترونیک پیشرفته
جزئیات فنی
دکتر بارت و همکارانش ویژگی‌های عملکرد عملیات یک و دو کیوبیتی کنترل‌شده توسط چیپلت cryo-CMOS را اندازه‌گیری کردند. آنها عملکرد آن را با عملکرد یک سیستم کنترل دمای اتاق متصل به کابل استاندارد مقایسه کردند.
یافته‌های آنها شامل موارد زیر است:
افت دقت ناچیز برای عملیات تک کیوبیتی.
هیچ کاهش قابل اندازه‌گیری در زمان همدوسی برای عملیات یک و دو کیوبیتی مشاهده نشد.
رفتار قابل مقایسه برهمکنش‌های کیوبیت، نشان‌دهنده تداخل ناچیز ناشی از نویز الکتریکی است.
نکته قابل توجه این است که این شاهکار‌ها با مصرف تنها ۱۰ میکرووات به دست آمدند که بخش عمده آن صرف سیستم‌های دیجیتال شد. اجزای آنالوگ تنها حدود ۲۰ نانووات در هر مگاهرتز اتلاف انرژی دارند، به این معنی که سیستم را می‌توان بدون افزایش قابل توجه در مصرف برق، به میلیون‌ها کیوبیت افزایش داد.