طراحی تراشه های فشرده برای رایانههای کوانتومی نسل جدید
رایانههای کوانتومی به صورت تئوری قادرند اندرکنش مولکول‌ها را با جزئیاتی فراتر از بزرگترین ابررایانه‌های امروزی شبیه‌سازی کنند. چنین شبیه ساز‌هایی می‌تواند شیمی، زیست شناسی و علم مواد را متحول کند، اما توسعه رایانههای کوانتومی با توانایی افزایش تعداد بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها محدود شده است. کیوبیت‌ها مقدار زیادی از اطلاعات را رمزگذاری، ذخیره‌سازی و دسترس‌پذیر می‌کنند.
بر اساس گزارش منتشر شده در مجله اپلاید فیزیکس، گروهی از پژوهشگران موسسه تحقیقات فنی گرجستان دستگاه جدیدی ابداع کرد‌ه‌اند که اجازه می‌دهد تعداد الکترود بیشتری در یک تراشه قرار داده شود. این ابداع گام مهمی در جهت افزایش تراکم کیوبیت و نزدیک‌تر شدن به رایانه کوانتومی ویژه‌ای است که بتواند مولکول‌ها را شبیه سازی کند و یا سایر الگوریتم‌های مورد نیاز را اجرا کند.
نیکلاس گایز، سرپرست این پروژه می‌گوید: «برای ثبت کردن حالت کوانتومی یک سیستم 300 کیوبیتی، شما به دو به توان سیصد عدد نیاز خواهید داشت، که تقریبا به تعداد پروتون‌های جهان است. در نتیجه هیچ مقداری از مقیاس قانون مور این امکان را برای یک رایانه کلاسیک فراهم نخواهد کرد تا بتواند تمام این اعداد را پردازش کند. به همین دلیل است که به هیچ وجه شبیه‌سازی کامل یک سیستم کوانتومی ممکن نیست، چه رسد به چیزی شبیه به شیمی مولکول‌های پیچیده، مگر اینکه بتوانیم یک رایانه کوانتومی بسازیم که آن را انجام دهد.»
در حالی که رایانههای موجود از بیت‌های کلاسیک اطلاعات استفاده می‌کنند، رایانههای کوانتومی از «بیت‌های کوانتومی» و یا کیوبیت برای ذخیره اطلاعات بهره می‌برند. بیت کلاسیک می‌تواند در آن واحد صفر یا یک باشد، اما کیوبیت از یک خاصیت کوانتومی عجیبی به نام برهم نهی سود می‌برد و می‌تواند به طور همزمان صفر و یک باشد. ویژگی برهم نهی اجازه می‌دهد اطلاعات بیشتری کد گذاری شوند و از آنجا که کیوبیت‌ها می‌توانند بر عکس بیت‌های کلاسیک دچار درهم تنیدگی شوند، نوع جدیدی از محاسبات انبوه موازی قابل اجرا می‌شود، البته به شرطی که چندین کیوبیت در یک زمان تولید و کنترل شوند. افزایش مقیاس این فناوری، چالشی است که در این زمینه به وجود آمده و بسیار شبیه به حرکت از اولین ترانزیستور‌ها به اولین رایانه‌ها است.
بر اساس در هم تنیدگی کوانتومی، در سامانه‌های مرکب می‌توان با وضعیت‌هایی مواجه شد که در آن اجزای سامانه دارای هیچ ویژگی نیستند بلکه فقط سامانه کل دارای دسته‌ای از ویژگی‌ها است. به عنوان مثال می‌توان به درهم‌تنیدگی و جفت شدن خواص مکانیکی دو ذره اشاره کرد که پیش‌تر با یکدیگر در اندرکنش بوده‌اند و سپس از یکدیگر جدا شده‌اند. در هم تنیدگی برای ذراتی همچون فوتون‌ها، الکترون‌ها و حتی مولکول‌ها رخ می‌دهد. این اندرکنش فیزیکی مربوط به خواصی نظیر مکان، تکانه، اسپین و قطبش و غیره است به گونه‌ای که با تعیین هر یک از خواص برای یکی از دو ذره، همان خاصیت در دیگری تعیین می‌شود. به عبارت دیگر هر یک از ذرات جفت شده به خوبی توسط حالت کوانتومی مشابه توصیف می‌شوند.
ایجاد واحدهای مستقل محاسبات کوانتومی
یکی از کاندیداهای اصلی برای کیوبیت، یون‌های به دام افتاده در داخل یک محفظه خلاء هستند که توسط لیزر دستکاری می‌شوند. مقیاس‌پذیری معماری این تله‌ها محدود است زیرا اتصالات الکترودهای مورد نیاز برای تولید تله‌ها در لبه تراشه اتفاق می‌افتند، و در نتیجه تعداد آنها توسط محیط تراشه محدود می شود.
پژوهشگران در روش جدید از تکنیک microfabrication یا ساخت میکرونی استفاده می‌کنند که اجازه می‌دهد الکترودهای بیشتری روی تراشه جای بگیرند، در حالی که همچنان دسترسی لیزر مورد نیاز حفظ شود.
طراحی این گروه الهام گرفته از ایده یک نوع بسته‌بندی مدار مجتمع به نام آرایه شبکه توپی (BGA) است که برای سوار کردن مدارهای یکپارچه استفاده می‌شود. ویژگی کلیدی آرایه شبکه توپی این است که می‌تواند سیگنال‌های الکتریکی را به طور مستقیم از پشت پایه نصب به سطح تراشه آورد و در نتیجه چگالی پتانسیل اتصالات الکتریکی را افزایش دهد.
پژوهشگران همچنین با جایگزینی خازن‌های نصب سطحی یا لبه‌ای فشرده با خازن‌های گودالی و اتصالات سیمی متحرک فضای بیشتری از سطح تراشه را آزاد کردند.
بهینه‌سازی در فضای موجود روی سطح تراشه امکان تمرکز بیشتر پرتوی لیزر برای انجام عملیات سریع روی هر کیوبیت را فراهم می‌کند. با وجود مشکلات اولیه اتصال تراشه‌ها، پژوهشگران راه‌حلی برای آن ابداع کردند و موفق شدند توسط این دستگاه یون‌ها را به دام بیاندازند.
پژوهشگران از نتایج کار بسیار هیجان زده شدند. گایز می‌گوید: «یون‌ها نسبت به میدان‌های الکتریکی همهمه‌گر و دیگر منابع نویز بسیار حساسند، و قرار گرفتن چند میکرون از ماده اشتباه در محل اشتباه می‌تواند یک تله را خراب کند. اما پس از انجام یک سری آزمایشات تعیین معیار مشاهده کردیم که آنها حداقل مثل تمام تله‌های قبلی کار می‌کنند.»
در حال حاضر کار با کیوبیت‌های یون به دام افتاده به یک اتاق پر از تجهیزات بزرگ و چندین نفر متخصص نیاز دارد تا به درستی راه‌اندازی و عمل کند، به طوری که پژوهشگران می‌گویند کارهای بسیاری باقی مانده‌اند که برای فشرده شدن این فناوری باید انجام شوند. این پروژه نشان می‌دهد که امکان فشرده ساختن تعداد الکترود بیشتر روی یک تراشه تله سطحی وجود دارد، در حالی که سیم کشی آنها می‌تواند از پشت تراشه به صورت جمع و جور و قابل گسترش انجام شود.
در این میان، چنین پیشرفت‌هایی می‌توانند کاربردهایی فراتر از محاسبات کوانتومی داشته باشند. گایز می‌گوید: «همه ما امیدواریم که روزی رایانه کوانتومی بتواند وعده گسترده خود را عملی کند، و این تحقیقات ما را یک گام به آن روز نزدیک‌تر کند. اما دلیل دیگری که ما روی این مشکلات متمرکزیم این است که وادار به یافتن راه حل‌هایی می‌شویم که می‌توانند در مسایل دیگر نیز مفید واقع شوند. برای مثال، روش ساخت میکرونی مانند روشی که برای ایجاد تله یونی اشاره شد، برای ساخت دستگاه‌های اتمی مینیاتوری مانند سنسور‌ها، مغناطیس سنج و ساعت‌های اتمی در مقیاس تراشه نیز بسیار مناسب است.»
No tags for this post.
