گام بزرگ رو به جلو در محاسبات کوانتومی؛ ساخت اولین مدار کوانتو | انجمن علمی فیزیک و نجوم دانشگاه صنعتی امیرکبیر

گام بزرگ رو به جلو در محاسبات کوانتومی؛ ساخت اولین مدار کوانتومی

دانشمندان استرالیایی اولین مدار کامپیوتر کوانتومی جهان را ایجاد کرده‌اند که شامل تمام اجزای ضروری موجود در یک تراشه کامپیوتری کلاسیک اما در مقیاس کوانتومی است.
این کشف برجسته که در نیچر منتشر شد، نه سال در دست ساخت بود.
میشل سیمونز، نویسنده ارشد و فیزیکدان کوانتومی، موسس محاسبات کوانتومی سیلیکون و مدیر مرکز محاسبات کوانتومی و فناوری ارتباطات در UNSW به ScienceAlert گفت: «این هیجان‌انگیزترین کشف زندگی حرفه‌ای من است».
سیمونز و تیمش نه تنها چیزی را که اساساً یک پردازنده کوانتومی کاربردی است ایجاد کردند، بلکه با مدل‌سازی یک مولکول کوچک که در آن هر اتم چندین حالت کوانتومی دارد، آن را با موفقیت آزمایش کردند - چیزی که یک کامپیوتر سنتی برای رسیدن به آن تلاش می‌کند.
این موضوع نشان می‌دهد که ما اکنون یک قدم به استفاده از قدرت پردازش کوانتومی برای درک بیشتر دنیای اطرافمان، حتی در کوچک‌ترین مقیاس، نزدیک‌تر شده‌ایم.
سیمونز به ScienceAlert گفت: «در دهه 1950، ریچارد فاینمن گفت که ما هرگز نخواهیم فهمید که جهان چگونه کار می کند - طبیعت چگونه کار می کند - مگر اینکه واقعاً بتوانیم آن را در همان مقیاس بسازیم.
اگر بتوانیم مواد را در آن سطح درک کنیم، می‌توانیم چیزهایی طراحی کنیم که قبلاً هرگز ساخته نشده‌اند».
آخرین اختراع این تیم، ساخت اولین ترانزیستور کوانتومی در سال 2012 است.
(ترانزیستور وسیله کوچکی است که سیگنال های الکترونیکی را کنترل می کند و فقط یک قسمت از مدار کامپیوتر را تشکیل می دهد. یک مدار مجتمع پیچیده تر است؛ زیرا تعداد زیادی ترانزیستور را در کنار هم قرار می دهد).
برای انجام این جهش در محاسبات کوانتومی، محققان از یک میکروسکوپ تونلی روبشی در خلاء فوق‌العاده بالا برای قرار دادن نقاط کوانتومی با دقت زیر نانومتری استفاده کردند.

قرارگیری هر نقطه کوانتومی باید دقیقاً درست باشد تا مدار بتواند نحوه جهش الکترون ها را در امتداد رشته ای از کربن های تک و دو پیوند در یک مولکول پلی استیلن تقلید کند.

مشکل‌ترین بخش این بود: دقیقاً چند اتم فسفر باید در هر نقطه کوانتومی وجود داشته باشد؟ فاصله هر نقطه دقیقا چقدر باید باشد؟ و مهندسی ماشینی که بتواند نقاط ریز را دقیقاً در چینش درست داخل تراشه سیلیکونی قرار دهد.
به گفته محققان، اگر نقاط کوانتومی خیلی بزرگ باشند، برهمکنش بین دو نقطه «بسیار بزرگتر از آن است که بتوان آنها را به طور مستقل کنترل کرد».
اگر نقاط خیلی کوچک باشند، تصادفی است؛ زیرا هر اتم فسفر اضافی می تواند مقدار انرژی لازم برای افزودن یک الکترون دیگر به نقطه را به طور قابل ملاحظه ای تغییر دهد.
تراشه کوانتومی نهایی حاوی 10 نقطه کوانتومی بود که هر کدام از تعداد کمی اتم فسفر تشکیل شده بودند.
پیوندهای دو کربنه با قرار دادن فاصله کمتر بین نقاط کوانتومی، نسبت به پیوندهای تک کربنی شبیه سازی شدند.
پلی استیلن به این دلیل انتخاب شد که یک مدل شناخته شده است و بنابراین می‌توان از آن برای اثبات اینکه کامپیوتر به درستی حرکت الکترون‌ها را از طریق مولکول شبیه‌سازی می‌کند، استفاده کرد.
کامپیوترهای کوانتومی مورد نیاز هستند؛ زیرا کامپیوترهای کلاسیک نمی توانند مولکول های بزرگ را مدل کنند. آنها بیش از حد پیچیده هستند.
به عنوان مثال، برای ایجاد یک شبیه سازی از مولکول پنی سیلین با 41 اتم، یک کامپیوتر کلاسیک به 68^10 ترانزیستور نیاز دارد که ترانزیستورهای بیشتری از اتم های موجود در جهان قابل مشاهده است.
برای یک کامپیوتر کوانتومی، فقط به یک پردازنده با ۲۸۶ کیوبیت (بیت کوانتومی) نیاز است.
از آنجایی که دانشمندان در حال حاضر دید محدودی در مورد نحوه عملکرد مولکول ها در مقیاس اتمی دارند، حدس و گمان زیادی برای ایجاد مواد جدید وجود دارد.

یکی دیگر از کاربردهای بالقوه محاسبات کوانتومی، مطالعه فتوسنتز مصنوعی و چگونگی تبدیل نور به انرژی شیمیایی از طریق زنجیره آلی واکنش ها است.
مسئله بزرگ دیگری که کامپیوترهای کوانتومی می توانند به حل آن کمک کنند، ایجاد کودهای شیمیایی است. پیوندهای نیتروژن سه گانه در حال حاضر تحت شرایط دما و فشار بالا در حضور کاتالیزور آهن شکسته می شوند تا نیتروژن ثابت برای کود ایجاد شود.
یافتن یک کاتالیزور متفاوت که بتواند کود را به طور موثرتری تولید کند، می تواند در هزینه و انرژی بسیار صرفه جویی کند.
سیمونز می گوید که دستیابی به جابجایی از ترانزیستور کوانتومی به مدار تنها در 9 سال، تقلید از نقشه راه تعیین شده توسط مخترعان کامپیوترهای کلاسیک است.

منبع خبر:
https://www.sciencealert.com/a-huge-step-forward-in-quantum-computing-was-just-announced-the-first-ever-quantum-circuit

@PSA_AUT