فیزیک‌دانان کلمبیا با تله‌های نوری و متاسرفیس راه را برای رایانه‌های ۱۰۰ هزار کیوبیتی هموار کردند

پیشرفت در آرایه‌های اتمی خنثی

آرایه‌های اتمی خنثی به‌عنوان یکی از رویکردهای پیشرو در توسعه سخت‌افزار کوانتومی شناخته می‌شوند. در این پروژه، پژوهشگران با موفقیت ۱۰۰۰ اتم استرانسیوم را در آرایه‌ای منظم به دام انداختند. تحلیل‌های آنها نشان می‌دهد که این روش، در صورت تأمین توان لیزر کافی، می‌تواند به سامانه‌هایی با بیش از ۱۰۰ هزار اتم گسترش یابد.

اتم‌ها به خودی خود کیوبیت‌های طبیعی هستند. هر نوع اتم از نظر فیزیکی کاملاً یکسان است، که نیاز به تنظیم و هم‌زمان‌سازی جداگانه هر کیوبیت را کاهش می‌دهد. این مزیت در مقیاس‌های بزرگ، برتری قابل‌توجهی نسبت به سامانه‌های ساختگی مبتنی بر مدارهای ابررسانا یا نیمه‌رسانا ایجاد می‌کند.

«گلوگاه اصلی همیشه یافتن روشی برای کنترل اتم‌ها در مقیاس بزرگ بوده است.»
— هولمن

هولمن تأکید کرد که تله نوری متاسرفیس می‌تواند این گلوگاه را برطرف کند.

جزئیات فنی و مزایای متاسرفیس

در این پژوهش، اندازه هر پیکسل کمتر از ۲۰۰ نانومتر بود، در حالی که طول‌موج نور تله نوری ۵۲۰ نانومتر گزارش شد. این نسبت امکان ایجاد مستقیم آرایه تله نوری توسط فراسطح را فراهم کرد. روش‌های متداول مبتنی بر مدولاتور نوری فضایی و انحراف‌دهنده آکوستو-اپتیکی به تجهیزات اضافی حجیم و گران‌قیمت نیاز دارند که اندازه نهایی آرایه را محدود می‌کنند.

نانفانگ یو توضیح می‌دهد: «متاسرفیس‌های استفاده‌شده در این کار را می‌توان برهم‌نهی ده‌ها هزار عدسی تخت روی یک صفحه دانست که هرکدام نقطه کانونی متفاوتی دارند. در نتیجه با تابش پرتو لیزر، یک متاسرفیس می‌تواند هم‌زمان ده‌ها هزار نقطه کانونی تولید کند.» این ویژگی، هسته اصلی مفهوم تله نوری متاسرفیس به شمار می‌آید.

متاسرفیس‌های این پژوهش از نیترید سیلیسیم و دی‌اکسید تیتانیوم ساخته شده‌اند. این مواد توانایی تحمل لیزرهای بسیار پرقدرت با شدت نوری بیش از ۲۰۰۰ وات بر میلی‌مترمربع را دارند که حدود یک میلیون برابر شدت نور خورشید روی سطح زمین است. محققان می‌گویند: «توان تحمل توان بالا در فراسطوح همراه با مقیاس‌پذیری بالای نانوفابریکیشن در اتاق‌های تمیز که امکان تولید ادوات بزرگ‌تر و دقیق‌تر را فراهم می‌کند، سازوکار ما را برای ساخت آرایه‌های تله نوری بسیار بزرگ منحصربه‌فرد کرده است.»

انعطاف‌پذیری و ظرفیت بی‌سابقه

گروه پژوهشی برای نمایش توانمندی سکوی تله نوری متاسرفیس، اتم‌ها را در چندین آرایه دوبعدی بسیار یکنواخت به دام انداخت. این الگوها شامل:

• شبکه مربعی با ۱۰۲۴ جایگاه
• الگوهای شبه‌بلور
• طرح «مجسمه آزادی» با صدها جایگاه
• دایره‌ای از اتم‌ها با فاصله کمتر از ۱.۵ میکرومتر میان هر دو اتم

این سطح از کنترل هندسی، انعطاف‌پذیری بالای روش را نشان داد.

پژوهشگران همچنین متاسرفیسی با قطر ۳.۵ میلی‌متر و بیش از ۱۰۰ میلیون پیکسل ساختند. این متاسرفیس آرایه‌ای ۶۰۰ در ۶۰۰ تولید کرد که معادل ۳۶۰ هزار تله نوری است. این عدد به مراتب بیشتر از ظرفیت فناوری‌های متداول به حساب می‌آید و نشان می‌دهد تله نوری متاسرفیس می‌تواند مرزهای فعلی را جابه‌جا کند.

گام بعدی این گروه، افزایش تعداد اتم‌های به‌دام‌افتاده خواهد بود که برای انجام آن به لیزری پرتوان‌تر نیاز است.