نگاهی به نکات ریز و درشت ساخت کامپیوتر کوانتومی

بیشتر بخش‌های اساسی کامپیوتر با استفاده از فناوری استاندارد سیلیکون ساخته می‌شود. در بررسی مجددی که توسط مهندسان استرالیایی و هلندی انجام شده است، پی خواهیم برد که یک کامپیوتر کوانتومی چگونه ساخته می‌شود. در ساخت این کامپیوتر بیش از هر چیزی از فناوری استاندارد سیلیکون استفاده می‌شود.

تیم‌های پژوهشی در سراسر دنیا روی راه‌هایی برای طراحی یک تراشه‌ی پردازشی کار می‌کنند که بتواند تعاملات کوانتومی را ادغام و یکپارچه کنند. اکنون طبق ادعای مهندسان نیوساوت ولز، آن‌ها این مشکل را حل کرده‌اند. آن‌ها با تجدید نظر در مورد ریزپردازنده‌های سیلیکونی، یک طرح کامل برای تراشه‌ی کامپیوتر کوانتومی که می‌تواند با استفاده از ترکیبات و روند‌های صنعتی استاندارد ساخته شود، ایجاد کرده‌اند.

این طراحی توسط آندرو ژوراک، مدیر تسهیلات تولید ملی استرالیا در دانشگاه نیوساوت ولز و منو ولدهورست، نویسنده‌ی اصلی مقاله و یکی از افراد درگیر در پژوهش موقع انجام کار مفهومی، صورت گرفت.

ژوراک، رهبر برنامه‌ی مرکز عالی استرالیا برای محاسبه کوانتومی و فناوری ارتباطات (CQC2T)، معتقد است:

ما اغلب اوقات فرود آمدن انسان روی کره‌ی ماه را بزرگ ترین دستاورد مربوط به فناوری بشریت می‌دانیم؛ اما ساخت یک تراشه‌ی ریزپردازنده با یک میلیارد دستگاه عامل که با یکدیگر ادغام شده‌اند تا به‌عنوان یک مجموعه‌ی واحد کار کنند و شما بتوانید آن را به‌صورت جیبی حمل کنید، یک دستاورد فنی بسیار بزرگ است. این دستاورد زندگی مدرن را تا متحول کرد.

او اضافه کرد:

ما با استفاده از پردازش کوانتومی درصدد رسیدن به جهش فناورانه دیگری هستیم که می‌تواند بسیار عمیق و باعث تغییر و تحول شود؛ اما ایجاد یک طرح مهندسی کامل برای تحقق و پیاده‌سازی این طرح روی یک تراشه واحد، مشکل بوده است. من فکر می‌کنم آن چیزی که ما در دانشگاه نیوساوت ولز ساخته‌ایم، می‌تواند این کار سخت را عملی و شدنی کند و مهم‌تر اینکه می‌توان آن را در یک کارخانه و واحد تولید نیمه‌رسانای مدرن ساخت.

ولدهورست که اکنون که سرپرست تیم فناوری کوانتوم در کیوتک، واحد همکاری بین دانشگاه صنعتی دلفت و TNO (سازمان تحقیقات علمی کاربردی هلند) است، می‌گوید قدرت طرح جدید این است که برای اولین بار توانسته فهرستی از مسیرهای شدنی مهندسی برای خلق میلیون‌ها بیت کوانتومی یا کیوبیت ایجاد کند:

تراشه‌های کامپیوتری امروزی با وجود اهمیتی که دارند، بازهم نمی‌توانند اثرات کوانتومی مورد نیاز برای حل مسائل مهمی که کامپیوتر کوانتومی می‌تواند آن‌ها را حل کند، از خود نشان دهند. مشخص شده است که ما برای حل مشکلات و مسائلی که مخاطب آن‌ها چالش‌های اصلی جهان مثل تغییرات اقلیمی یا بیماری‌های خطرناک و پیچیده‌ای مثل سرطان است، باید میلیون‌ها کیوبیت داشته باشیم که به‌طور همزمان کار کنند. ما برای تحقق این امر باید این کیوبیت را در یک جا جمع‌آوری کنیم و آن‌ها را با یکدیگر ادغام کنیم؛ همان‌طور که در تراشه‌ی ریزپردازنده مدرن این کار را انجام می‌دهیم. این همان هدفی است که طراحی جدید ما درصدد دسترسی به آن است.

او اضافه کرد:

طرح ما، ترانزیستور سیلیکون معمولی در بین کیوبیت‌های یک آرایش دوبعدی را به حالت روشن در می‌آورد. این طرح بااستفاده از word و bit مبتنی بر شبکه، پروتکلی را که شبیه به پروتکل مورد استفاده برای انتخاب بیت‌ها در تراشه‌ی مموری کامپیوترهای عادی است، انتخاب می‌کند. ما می‌توانیم با انتخاب الکترودهای بالای یک کیوبیت، کنترل چرخش کیوبیت را به‌ دست بیاوریم. این چرخش، کدهای باینری ۰ و ۱ را ذخیره می‌کند. ما می‌توانیم با انتخاب الکترودهای بین کیوبیت‌ها، تعاملات منطقی دو کیوبیت یا محاسبات بین کیوبیت‌ها را انجام دهیم.

یک کامپیوتر کوانتومی به‌صورت تشریحی، کدهای باینری مورد استفاده در کامپیوترهای مدرن را با استفاده از دو اصل فیزیک کوانتوم به نام‌های در‌هم‌تنیدگی و برهم‌نهی گسترش می‌دهد. کیوبیت‌ها می‌توانندکدهای ۰ و ۱ را به‌صورت جداگانه و ترکیبی، به‌صورت همزمان ذخیره کنند و همان‌طور که یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند چندین مقدار چندگانه را به‌طور همزمان ذخیره کند، می‌تواند آن‌ها را به‌طور همزمان پردازش کند و چندین عملیات روی آن‌ها انجام دهد. این ویژگی باعث می‌شود کامپیوتر کوانتومی میلیون‌ها بار سریع‌تر از یک کامپیوتر عادی در حل مسائل مهم باشد.

اما برای حل مسائل پیچیده، به یک کامپیوتر کوانتومی جهانی و مفید که دارای کیوبیت‌های فراوان باشد نیاز خواهد بود؛ چراکه تمامی گونه‌های کیوبیت‌ که ما می‌شناسیم شکننده و ضعیف هستند و هر خطای کوچکی می‌تواند به‌سرعت باعث رسیدن به پاسخ اشتباه در حل مسائل شود. ژوراک گفت:

بنابراین ما باید از کدهایی برای تصحیح خطاها استفاده کنیم که دارای کیوبیت‌های متعددی برای ذخیره‌ی یک واحد از داده هستند. طرح اولیه‌ی تراشه‌ی ما یک گونه‌ی جدید از کد تصحیح خطا را در بر دارد که مخصوص کیوبیت‌ها طراحی شده است و شامل یک پروتکل قوی از عملیات‌ مدار سیلیکونی برای کنترل و خواندن میلیون‌ها کیوبیت مورد نیاز برای پردازش کوانتومی می‌شود.

او اضافه کرد:

البته می‌دانیم که طرح کامل نیست و باید اصلاحاتی قبل از ساخت و تولید در آن انجام شود؛ اما تمام اجزای کلیدی مورد نیاز برای پردازش کوانتومی در تراشه ما وجود دارند و این همان چیزی است که اگر ما بخواهیم کامپیوتر کوانتومی بسازیم که مکانی برای محاسبات و چیزی فراتر از کامپیوترهای عادی باشند، به آن نیاز پیدا خواهیم کرد. این طرح نشان می‌دهد که چگونه باید میلیون‌ها کیوبیت مورد نیاز برای تحقق وعده حقیقی پردازش کوانتومی را با هم ادغام کنیم.

ساخت کامپیوتر کوانتومی جهانی، از زمان رقابت فضایی قرن بیستم مطرح بوده است. چنین کامپیوترهایی برای طیفی از محاسبات، بسیار سریع‌تر از کامپیوترهای فعلی هستند و همچنین می‌توانند برای برخی از چالش‌های موجود، راه‌ حل‌هایی را ظرف مدت چند روز و یا حتی چند ساعت انجام دهند. این در حالی است که اگر بخواهیم این مشکلات را با بهترین ابرکامپیوترهای امروزی حل کنیم، میلیون‌ها سال طول خواهد کشید.

حداقل ۵ شیوه‌ی پردازش کوانتومی اصلی در دنیا تا به حال کشف شده‌اند: کیوبیت اسپین سیلیکونی؛ دام یون؛ حلقه‌های ابررسانایی؛ خلأ الماسی؛ و کیوبیت‌های توپولوژیکی. طرح دانشگاه نیوساوت ولز بر اساس کیوبیت‌های اسپین سیلیکونی است. مشکل اصلی تمامی شیوه‌های بالا این است که راه مشخصی برای اندازه‌گیری میلیون‌ها بیت‌ کوانتومی مورد نیاز بدون یک سیستم کامپیوتری عظیم وجود ندارد و برای این کار به تجهیزاتی عظیم و زیرساختی گران نیاز است.

البته انجام این کار کمی مشکل است؛ ولی ما برای پردازش کوانتومی به مقیاس بالا به میلیون‌ها کیوبیت نیاز داریم. در اینجا قصد داریم راهی را نشان دهیم که در آن می‌توان کیوبیت‌های اسپین را به مقیاس بالا رساند. این کار کاری کلیدی است.

این طرح جهشی به سوی کیوبیت‌های اسپین سیلیکونی است. این طرح تنها در دو سال پیش در مقاله‌ای در Nature ارائه شد. در این طرح ژوراک و ولدهورست برای اولین بار نشان دادند که محاسبات منطقی کوانتومی چگونه می‌توانند در یک دستگاه سیلیکونی انجام شوند. آن‌ها این کار را با ساخت یک دروازه‌ی منطقی دو-کیوبیتی که بلوک مرکزی یک کامپیوتر کوانتومی است، انجام دادند.

مارک هافمن، رئیس دانشکده مهندسی دانگشاه نیوساوت ولز، گفت:

این اقدامات، گام‌های ابتدایی بودند. اینها گام‌هایی بودند که نشان می‌دادند چگونه با استفاده از ترکیبات سیستم پردازشی تمامی پردازش‌گرهای دنیا (سیلیکون) این مفهوم پردازش کوانتومی را در یک دستگاه عملی پیاده کنیم. تیم ما هم‌اکنون یک طرح اولیه برای افزایش چشمگیر این مقدار در دست دارد.

او اضافه کرد:

ما عناصر این طرح را در آزمایشگاه تست و بررسی کرده‌ایم و به‌نتایج مثبتی دست یافته‌ایم. ما تنها باید راه خودمان را در ساخت آن ادامه دهیم که البته این راه با چالش‌هایی همراه است، اما اساس کار فراهم شده و جای امیدواری زیادی وجود دارد. وارد کردن پردازش کوانتومی به بازار تجاری هنوز نیازمند مهندسی زیادی است؛ اما مشخص است کاری که این تیم فوق‌العاده در CQC2T انجام داد، استرالیا را مسئول کنترل کارها کرد.

سایر پژوهشگران CQC2T مشمول در این طرح عبارت‌اند از: هنری یانگ و گرتیان اینیک. گرتیان اینیک اخیرا به ولدهورست در کیوتک ملحق شده است. تیم دانشگاه نیوساوت ولز باعث به‌ وجود آمدن معامله‌ای به ارزش ۸۳ میلیون دلار استرالیا بین دانشگاه نیوساوت ولز، تلسترا، بانک کامان‌ولث، دولت استرالیا و دولت نیوساوت ولز برای توسعه یک مدار ادغام‌شده کوانتوم سیلیکونی ۱۰ کیوبیتی تا سال ۲۰۲۲ شد.

 در ماه آگوست این شرکا، کمپانی Silicon Quantum Computing Pty Ltd را راه‌اندازی کردند. این کمپانی اولین کمپانی پردازش کوانتومی استرالیا است. هدف از راه‌اندازی این کمپانی پیشرفت در توسعه و تجاری‌سازی فناوری‌های منحصربه‌فرد این تیم است. دولت نیوساوت ولز ۸.۷ میلیون، دانشگاه نیوساوت ولز ۲۵ میلیون، بانک کامن‌ولث ۱۴ میلیون، تلسترا ۱۰ میلیون، و دولت استرالیا ۲۵ میلیون دلار استرالیا برای این کار متقبل شدند.

عکس‌ها: تصاویر ژوراک و ولدهورست به‌علاوه شکل تراشه کامپیوتر کوانتومی کامل. (عکس‌ها از گرانت ترنر/دانشگاه نیوساوت ولز؛ شکل از تونی ملو/دانشگاه نیوساوت ولز)

سوابق: مقایسه‌ی طرح کیوبیت اسپین سیلیکونی با سایر روش‌ها؛ به‌علاوه یک مقاله برجسته ۳ هزار کلمه‌ای در مورد تلاش دانشگاه نیوساوت ولز. (عوام خلاق).

مقاله‌ی علمی: مقاله اصلی در Nature Communications؛ معماری CMOS برای کامپیوتر کوانتومی بر اساس اسپین.

دانشکده‌ی مهندسی دانشگاه نیوساوت ولز مرکز اصلی پژوهش‌های مهندسی در استرالیاست و متشکل از ۹ گروه و ۴۲ مرکز تحقیقاتی است. این دانشکده جزو ۵۰ دانشکده برتر مهندسی دنیا است. این دانشکده بزرگ‌ترین مرکز مهندسی برای دانشجویان کارشناسی، کارشناسی ارشد، دانشجویان داخلی و خارجی در رشته‌های مهندسی استرالیا است. دانشگاه نیوساوت ولز رتبه اول در استرالیا را در تولید میلیونرها (رتبه ۳۳ جهانی) و رتبه ۱ در استرالیا برای فارغ‌التحصیلانی را دارد که استارتاپ‌های فناوری به‌ وجود می‌آورند.

CQC2T بزرگ‌ترین تیم دنیا است که روی ساخت اکوسیستم پردازش کوانتوم جهانی کار می‌کند. CQC2T رهبر دنیا در مسابقه‌ی ساخت یک کامپیوتر کوانتومی از جنس سیلیکون است و پژوهش‌هایی در کلاس جهانی در زمینه‌های محاسبات کوانتومی نوری، ارتباط کوانتومی، اتصالات کوانتومی و سایر تکنولوژی‌های کوانتومی انجام می‌دهد. این مرکز در دانشگاه نیوساوت ولز قرار دارد و دارای بالغ بر ۲۰۰ محقق از ۹ مؤسسه پژوهشی برتر استرالیا است.