کیوبیت ابررسانای پرینستون؛ جهش ۱۰۰۰ برابری در توان پردازنده‌های کوانتومی

جام مقدس محاسبات و چالش‌های فنی

رایانه‌های کوانتومی به‌عنوان «جام مقدس» نسل آینده محاسبات شناخته می‌شوند؛ فناوری‌ای که توانایی حل مسائلی را دارد که رایانه‌های کلاسیک عملاً از انجام آنها ناتوان‌اند. با این حال، چالش‌های فنی متعددی مانع از تجاری‌سازی گسترده این فناوری شده است که مهم‌ترین آنها عمر کوتاه کیوبیت‌ها و بروز خطاهای محاسباتی است.

کیوبیت‌های ترانسمون (Transmon) به دلیل تحمل بالاتر در برابر نویز و سهولت ساخت، گزینه اصلی شرکت‌های پیشرو مانند گوگل و IBM هستند، اما افزایش زمان همدوسی (مدت‌زمانی که کیوبیت می‌تواند اطلاعات کوانتومی را بدون خطا حفظ کند) همواره دشوار بوده است.

نوآوری در مواد: کلید جهش عملکرد

تیم تحقیقاتی پرینستون به سرپرستی ناتالی د لئون و اندرو هوک، با تمرکز بر نقش تعیین‌کننده کیفیت مواد، رویکردی متفاوت در پیش گرفتند. آن‌ها با همکاری رابرت کاوا، شیمیدان دانشگاه، تغییرات ساختاری زیر را اعمال کردند:

• استفاده از عنصر نادر تانتالوم (Tantalum) برای ساخت مدار کوانتومی؛ فلزی بسیار مقاوم که پایداری بالایی در برابر فرآیندهای پاک‌سازی دارد.
• جایگزینی زیرلایه اولیه یاقوت کبود با سیلیکون با درجه خلوص بالا، همان ماده رایج در صنعت نیمه‌رسانا.

ساخت کیوبیت روی سیلیکون با چالش‌های فنی جدی همراه بود، اما پژوهشگران در نهایت موفق به غلبه بر این موانع و دستیابی به پایداری بی‌سابقه شدند.

افزایش توان محاسباتی تا هزار برابر

نتیجه این تلاش‌ها دستیابی به کیوبیتی است که زمان همدوسی آن ۱۵ برابر بهتر از فناوری‌های فعلی گوگل و IBM است. این پیشرفت پیامدهای عظیمی برای توان محاسباتی دارد:

اندرو هوک می‌گوید: «اگر همین کیوبیت پرینستونی را در بهترین پردازنده کوانتومی گوگل، یعنی Willow، جایگزین کنیم، عملکرد آن حدود هزار برابر افزایش می‌یابد.»

بر اساس برآوردهای این تیم، مزیت این کیوبیت با افزایش تعداد کیوبیت‌ها به‌صورت تصاعدی رشد می‌کند. یک رایانه کوانتومی فرضی با هزار کیوبیت می‌تواند حدود یک میلیارد برابر بهتر از بهترین رایانه‌های کوانتومی امروز عمل کند.

ناتالی د لئون نیز اظهار داشت: «ما نشان دادیم که رسیدن به این سطح از عملکرد در بستر سیلیکون امکان‌پذیر است. حالا که مراحل کلیدی و ویژگی‌های اساسی این پیشرفت مشخص شده، استفاده از این رویکرد برای پژوهشگرانی که روی پردازنده‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر کار می‌کنند بسیار ساده‌تر خواهد بود.»

اهمیت دستاورد علمی

این دستاورد علمی مهم در نشریه معتبر Nature منتشر شده و از آن به‌عنوان یکی از مهم‌ترین پیشرفت‌های اخیر در مسیر عملیاتی شدن رایانش کوانتومی و تسریع در ساخت رایانه‌های کوانتومی تجاری یاد می‌شود.