خبر کامل
پیشرفت چشمگیر دانشگاه کلمبیا در ساخت رایانه‌های کوانتومی ۱۰۰ هزار کیوبیتی
پژوهشگران دانشگاه کلمبیا با معرفی یک فناوری نوآورانه، گامی مهم در مسیر ساخت رایانه‌های کوانتومی بسیار بزرگ برداشته‌اند. این سامانه می‌تواند زمینه‌ساز توسعه رایانه‌هایی با بیش از ۱۰۰ هزار کیوبیت باشد؛ مقیاسی که عبور واقعی از توان رایانش کلاسیک را ممکن می‌سازد و افق‌های جدیدی را در محاسبات باز می‌کند.
فناوری نوین: ترکیب تله‌های نوری و متاسطح‌ها
سباستین ویل و نانفانگ یو، فیزیک‌دانان برجسته دانشگاه کلمبیا، در مقاله‌ای که اخیراً در مجله معتبر Nature منتشر شده، ترکیبی از دو فناوری قدرتمند را معرفی کرده‌اند: تله‌های نوری (Optical Tweezers) و متاسطح‌ها (Metasurfaces). این ترکیب بی‌سابقه، امکان به دام انداختن و کنترل هم‌زمان هزاران اتم و در آینده‌ای نزدیک، صدها هزار اتم را فراهم می‌آورد.
عبور از محدودیت‌های کیوبیت
رایانه‌های کوانتومی تنها زمانی می‌توانند از همتایان کلاسیک خود پیشی بگیرند که تعداد بسیار زیادی کیوبیت در اختیار داشته باشند. در حال حاضر، پیشرفته‌ترین سامانه‌های کوانتومی حدود هزار کیوبیت دارند، اما پژوهشگران کلمبیا در تلاشند تا این عدد را به طور چشمگیری افزایش دهند.
ویل در این‌باره می‌گوید: «ما در حال ایجاد زیرساخت‌های کلیدی برای ساخت رایانه‌های کوانتومی با بیش از ۱۰۰ هزار کیوبیت هستیم.»
در این پروژه، آرایه‌های اتم خنثی به عنوان یکی از امیدبخش‌ترین رویکردها برای سخت‌افزار کوانتومی به کار گرفته شده‌اند. در یک آزمایش کلیدی که تحت هدایت دانشجویان تحصیلات تکمیلی، آرون هولمن و یوان شو، انجام شد، تیم تحقیقاتی موفق شد ۱۰۰۰ اتم استرانسیم را به طور هم‌زمان به دام بیندازد. نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که همین روش قابلیت گسترش به سامانه‌هایی با بیش از ۱۰۰ هزار اتم را نیز داراست.
چرا اتم‌ها کیوبیت‌های ایده‌آل هستند؟
اتم‌ها به طور طبیعی رفتارهای کوانتومی مانند برهم‌نهی و درهم‌تنیدگی را پشتیبانی می‌کنند. از همه مهم‌تر، هر اتم از یک عنصر مشخص کاملاً مشابه دیگری است. این ویژگی منحصربه‌فرد، نیاز به تنظیم و همگام‌سازی تک‌تک کیوبیت‌ها را که در سامانه‌های ساخته‌شده به صورت مصنوعی به چالشی جدی تبدیل می‌شود، از میان برمی‌دارد.
هولمن توضیح می‌دهد: «اتم‌ها کیوبیت‌های طبیعی هستند؛ کاملاً یکسان و به شدت فراوان. گلوگاه اصلی همیشه کنترل آنها در مقیاس بزرگ بوده است.»
نوآوری در اپتیک: از تله‌های نوری سنتی تا متاسطح‌ها
در یک دهه گذشته، پژوهشگران برای به دام انداختن اتم‌ها از تله‌های نوری، یعنی پرتوهای لیزری بسیار متمرکز، استفاده کرده‌اند. برای ساخت آرایه‌های بزرگ، معمولاً از مدولاتورهای نوری فضایی (SLM) یا انحراف‌دهنده‌های آکوستو-اپتیکی (AOD) بهره گرفته می‌شود؛ تجهیزاتی که حجیم، پرهزینه و محدودکننده مقیاس هستند.
در رویکرد جدید، متاسطح‌ها جایگزین این تجهیزات سنتی شده‌اند. متاسطح‌ها صفحات نوری تختی هستند که از میلیون‌ها پیکسل نانومتری تشکیل شده‌اند و می‌توانند با عبور یک پرتو لیزر، الگوهای بسیار پیچیده‌ای از نقاط کانونی ایجاد کنند.
یو توضیح می‌دهد: «یک متاسطح را می‌توان ترکیبی از ده‌ها هزار عدسی تخت دانست که هم‌زمان ده‌ها هزار نقطه کانونی تولید می‌کنند.»
در این پژوهش، اندازه پیکسل‌ها کمتر از ۲۰۰ نانومتر است، در حالی که طول موج نور مورد استفاده ۵۲۰ نانومتر است؛ این موضوع امکان تولید مستقیم آرایه‌های تله نوری بسیار بزرگ را فراهم می‌کند.
متاسطح‌های ساخته‌شده از نیترید سیلیکون و دی‌اکسید تیتانیوم می‌توانند شدت‌های نوری بالاتر از ۲۰۰۰ وات بر میلی‌متر مربع را تحمل کنند؛ شدتی حدود یک میلیون برابر نور خورشید در سطح زمین.
یوان شو می‌گوید: «ترکیب تحمل توان بالا با قابلیت تولید انبوه دقیق در اتاق‌های تمیز، این پلتفرم را برای ایجاد آرایه‌های تله نوری عظیم منحصربه‌فرد کرده است.»
در این تحقیق، آرایه‌های دوبعدی یکنواخت متعددی ساخته شد؛ از جمله شبکه مربعی با ۱۰۲۴ نقطه، الگوهای شبه‌کریستالی و حتی طرح مجسمه آزادی با صدها اتم. همچنین یک متاسطح با قطر ۳.۵ میلی‌متر و بیش از ۱۰۰ میلیون پیکسل ساخته شد که قادر به تولید آرایه‌ای ۶۰۰ در ۶۰۰ است؛ یعنی ۳۶۰ هزار تله نوری، ظرفیتی که دو مرتبه بزرگی فراتر از فناوری‌های فعلی است.
آینده محاسبات کوانتومی و فراتر از آن
به گفته پژوهشگران، این پیشرفت می‌تواند نه تنها به توسعه رایانه‌های کوانتومی، بلکه به فناوری‌های دیگری مانند شبیه‌سازهای کوانتومی برای مطالعه سامانه‌های پیچیده و ساعت‌های اتمی نوری فوق‌دقیق نیز کمک کند.
ویل درباره گام بعدی می‌گوید: «برای به دام انداختن صد هزار اتم، به یک لیزر بسیار قوی‌تر نیاز داریم، اما این هدف کاملاً در دسترس و واقع‌بینانه است.»
این دستاورد نویدبخش آغاز عصری جدید در مقیاس‌پذیری فناوری‌های کوانتومی و نزدیک‌تر شدن به رایانه‌هایی است که می‌توانند مسائل حل‌نشدنی امروز را ممکن سازند و انقلابی در علم و فناوری ایجاد کنند.
درباره هوش‌مصنوعی دست‌اول:
تمامی اخبار دست‌اول توسط دستیار هوش مصنوعی «هوشنگ» پردازش، صحت‌سنجی، خلاصه و بازنویسی شده است. هوشنگ هر روز با داده‌های جدید آموزش داده می‌شود و با نظارت دقیق انسانی و سردبیری دست‌اول در حال بهتر شدن است.
شما می‌توانید از چت‌بات و سایر ابزارهای هوشنگ به صورت رایگان استفاده کنید.
