رایانه های کوانتومی سیلیکونی

نمونه های اولیة رایانه های کوانتومی که از ذرات اتمی و زیر اتمی برای انجام محاسبات خود استفاده می کنند، عجایب آزمایشگاهی هستند و با شلیک طیف خاصی از لیزر به درون کریستالهای خاص، به آزمایش مایع درون دستگاه تولید MRI پزشکی می پردازند.رایانه های کوانتومی می توانند در حل مسائل بزرگی مانند شکستن کدهای رمزی به صورت اعجاب انگیزی سریع باشند. امــا این نوع رایانه ها عمدتاًٌٌٌُُُ‏‏‎‎ در حد تئـوری باقی مانده اند. به همین دلیل پژوهشگران روش های مختلفی را آزمایش می کنند تا ببینند که آیا امکان ساخت آنها هست یا خیر.پژوهشگران دانشگاه استانفورد و دانشگاه کیو(Kieo )در ژاپن، در تلاش برای ساخت وسایل کوانتومی کاملاً مشابه با رایانه های معمولی و کلاسیک هستند. این تیم با هدف ساختن رایانه های کوانتومی، به طور کامل از مواد متعارف مورد استفاده در رایانه ها- سیلیکون- استفاده می کنند

رایانه های کوانتومی   سیلیکونی

.تادیوس لاد، یکی از پژوهشگران دانشگاه استانفورد گفت:”” طراحیهــای مبتنی بر سیلیکون بســــیار شگفت انگیزند، زیرا همة مهندسین در طی بیش از 40 سال گذشته، فناوری سیلیکون را دنبال کرده اند.،،رایانه های کوانتومی برای نشان دادن بیت های اطلاعاتی، ذرات اتمی یا زیر اتمی کیوبیتها را به کار می برند. هستة هر اتم می نواند همانند یک آهنربای کوچک عمل کند، و بسته به اینکه میدان مغناطیسی در چه جهتی قرار گیرد، صفر یا یک را نشان می دهد. رایانه های موجود، از وجود یا عدم وجود جریان الکـتـریـکـی حـاصـل از تـرانزیــستــورهـا برای نشان دادن یک ها و صفرهای اطلاعات دیجیتالی استفاده می کنند. هنگامی که یک اتم از محیطش جدا می شود، هسته در حالت کوانتومی غیر طبیعی ابر موقعیت ((Super  Position قرار می گیرد. بــدین مـعنـی کـــه در آمیزه ای از تمام شرایط ممکن قرار می گیرد. یک کیوبیت در حالت ابــر موقـعـیـت مخلوطی از 1 و 0 است، و رشته ای از کیوبیت ها در حالت ابر موقعیت می تواند هر ترکیبی از یک ها و صفرها را به طور همزمان نشان دهد.قدرت یک رایانه کوانتومی ناشی از توانایی آن برای کنترل و ارائة همزمان ترکیبات عددی مختلف جهت دستیابی بـه کـدهای رمــز است. در صورتی که رایانـه های فـعلـی در هر زمان فقط یک پاسخ را کنترل می کنند. لذا یک رایانه کوانتومی کار بسیاری از رایانه ها را انجام می دهد.پـــژوهشگــران در بــزرگتـرین نــمــونــه رایـانـه کـوانـتــومی کـه تا کنون ساخته شده، از فناوری رزونانس مغناطیس هسته ای ( NMR ) مایع برای دستکاری هفت کیوبیت استفاده کردند. NMR که دارای فناوری ورای دستگاه های تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI ) است از میدان های مغناطیسی و امواج رادیویی برای تغییر و اندازه گیری هسته های اتمی در مولکول های تشکیل دهندة مایع استفاده می کند. با این وجود، پژوهشگران عموماً معـتقدند کـه رایـانــه های کوانتومی NMR مایع نمی توانند بزرگتر از 10 کیوبیت ساخته شوند، زیرا قدرت سیگنال های رادیویی حاصل از کیوبیت ها در مـقـایـسـه بـا سیگنـال ناخواستة هر کیوبیت اضافی، به صورت تصاعدی کاهش می یابد. یک رایانــه کـوانــتـومـی بــرای استفاده از تـوانایی های عظیم خود باید شامل هزاران یا میلیون ها کیوبیت باشد. رایانه های کلاسیک امروزی شامل میلیون ها ترانزیستور هستند.طرح پژوهشگران دانشگاه های استانفورد و کیو از فناوری NMR نیز استفاده می کند، اما به شکل جامد. طرح آنها به این صورت است که به جای اتم های سیلیکون از ایزوتوپ سیلیکون 29 استفاده کنند، زیرا در سیلیکون 29 هسته ها همانند آهنربا عمل می کنند در حالی کــه سیلیکون مـعمـولی چنیـــن نیست. هسته های ایزوتوپ سیلیکون 29 مشکل سیگنال های ناخواسته را کاهش می دهد. چالش دیگری که در ساخت رایانه های کوانتومی وجود دارد، حفاظت کیوبیت ها از شرایط شکننده است. انرژی محیط اطراف می تواند کیوبیت ها را نابسامان کند و باعث تفرق(Decoherence) آنها شود. لاد گفت که تفرق شبـیــه حالتی است کـــه یـک رأس در حال گردش ( Spinning   Top) از بین رفته یا آسیب می بیند. کیوبیتی که به مدت طولانی تری منسجم باقی بماند، باعث می شود که رایانه کوانتومی عملیات بیشتری را انجام دهد. طرح سیلیکون جایگزین شده، مسأله عدم انسجام و تفرق و همچنین محافظت از هسته های مغناطیسی را مـورد توجه قرار می دهد و باعث پایدار شدن شرایط کوانتومی می شود. طرح این پــژوهشگــران نیازمند بــه کارگیــری رشته ای از هسته های سیلیکون 29 برای تشکیل یک کیوبیت است. لاد می گوید: ”” اگر ویفرهای سیلیکونی موجود شکسته شوند ساختار کریستالی لبه ها، پله هایی را تشکیل می دهد و اتم های سیلیکون 29 بر روی این لبــه ها نشستــه و بـه گـوشــه هـای این پله ها حرکت می کنند و زنجیره هایی را ایجاد می کند. اندازه گیری جهت مغناطیسی زنجیره های حاوی فقط چند صد هستــة اتمی در مقایسه با گروههایی شامل میلیاردها هستة اتمی در مولکولهای مایع کار مشکلی است، بطوریکه چنین خاصیت مغناطیسی تا کنون اندازه گیری نشده است.،، این پژوهشگران برای اندازه گیری و کنترل این زنجیره های کیوبیتی، آنها را در میدان های مغناطیسی با قدرتهای مختلف قرار می دهند و هر زنجیر به فرکانس رادیویی متفاوتی پاسخ می دهد. یعنی اصولاً هر کیوبیت، کانال رادیویی مخصوص به خود دارد. لذا با تنظیم فـرکانس امــواج رادیـویی با یک آنتن می تـوان آن را برای هر هسته تنظیم کرد.

 این سیگنال های فرکانس رادیویی می توانند هسته ها را به هر طریق که ما بخواهیم بچرخانند.این رایانه های کوانتومی عملیات های منطقی را از طریق مراحل پیچیدة چرخش انجام می دهند. این طرح، او لین طــرح پـیـشنهـاد شده برای ساخت رایانه های کوانتومی از سیلیکون نیست. بروس کان، پژوهشگر دانشگاه مریلند، طرحی را برای ساخت کیوبیت ها از اتم های فسفر که در فواصل معینی از یک تراشه سیلیکونی گنجانده شده اند ابداع کرده است. لاد گفت، کیوبیت های این طرح از نظر تفرق مشکل کمتری دارند و احتمالاً حتی برای خواندن اطلاعات نیز از همة روش های سیلیکونی که پژوهشگران به کار می برند مناسبتر باشند.بنا بر اظهار نظر لاد، در دراز مدت ممکن است که طرح کا ن دارای آیندة بهتری باشد، زیرا این احتمال بیشتر وجود دارد که برای ساخت رایانه های کوانتومی قابل استفاده، نیاز به تولید دستگاه هایی شود که دارای هزاران یا میلیون ها کیوبیت هستند. تفاوت عمده در آن است که رایانه های ما در مدت کوتاه تری قابل حصول و واقع بینانه تر هستند، در حالی که رایانه های کان از دسترس دورتر و بنابراین غیر متحمل تر هستند.بنا به اظهارات لاد، طرح پژوهشگران دانشگاه های استانفورد و کیو جالب توجه است و شاید عملی ساختن آن از انواع دیگر رایانه های کوانتوم سیلیکونی آسان تر باشد. اما استفاده از تعداد زیادی کیوبیت در آن مقدور نیست.

ایلی یابلونویچ، استاد مهندسی الکترونیک دانشگاه کالیفرنیا، لوس آنجلس می گوید: که کار این پژوهشگران ممکن است برخی از مسائل رایانه های مــوجـود را حـل کند. وی گفت که به کارگیری رشتــه هایی از هسته های سیلیکونی ممکن است نسبت به استفاده از مایعات، دارای برتری های زیادی باشد.

با وجـود این، سـرعـت ایـن فـنـاوری کـمـتر از یک کیلو هرتز در ساعت باقی می ماند. مـیـدان هـای مـغـنـاطیــسـی بـاعـث رزونـانس هسته های اتـمی در فــرکــانس هـای نسبتاً پایـیـن و کـاهش ســرعت انـــجـام فرامــین می شوند. سیگنال های رادیــویـی کــه بـرای کنـتـرل کیوبیت ها به کار برده شده اند باید با فرکانس رزونانس پایین آنها هماهنگ شوند.بــه همین خاطر، دیگر تیم های پژوهشی به جای کار با هسته های اتمی در حال کار با الکـتـرون هـا هستند. یابلونویچ می گوید: این نوع از رایانه های کوانتومی سیلیکونی بسیاری از مـزایای رایانــه های نوع دیگر را داشته و عـلاوه بـر آن دارای سرعت یک گیگاهرتز در ساعت هستند. الکترون ها نیز همانند هسته ها مانند آهنرباهای کوچکی عمل می کنند اما آنها را می توان با پالس های فوق سریع نور لیزر دستکاری کرد. مانعی کــه بـرای بـه کارگیری الکترون ها وجود دارد این است که شرایط کوانتومی آنها در مقایسه با شرایط کوانتومی دوام کمتری دارد.لاد می گوید: کـــه تخمین این کــه توسعـة کامل رایانه های کـوانــتــومی تــا چـه مدت زمـانــی به طــول خـواهد انـجـامـیـد مشکل است اما با یک حساب سرانگشتی، این امر احتمالاً در طی 20 سال آینده میسر خواهد شد.