کشف ابررسانایی کمیاب برای بهبود آینده‌ی محاسبات کوانتومی

تحقیقات انجام‌شده توسط دانشگاه کنت و آزمایشگاه STFC منجر به کشف ابررسانای توپولوژیکی کمیابی موسوم به LaPt3P شده است که آن را می‌توان دستاوردی حیاتی در آینده کامپیوتر کوانتومی و به‌طور کلی پردازش‌ مبتنی بر فیزیک کوانتوم توصیف کرد.

ابررساناها موادی حیاتی هستند که در صورت خنک شدن تا دمای مشخص و بدون هیچ‌گونه مقاومتی، می‌توانند الکتریسیته را هدایت کنند و مصرف انرژی را کاهش بدهند؛ این امر در جهانی که بیش از همیشه نیاز به کاهش مصرف انرژی دارد، امری اجتناب‌ناپذیر و بسیار حیاتی محسوب می‌شود. ابررساناها خواص کوانتومی در مقیاس اشیاء روزمره را آشکار و آن‌ها را به کاندیداهای بسیار جذابی برای ساخت رایانه‌هایی تبدیل می‌کنند که از فیزیک کوانتوم برای ذخیره داده‌ها و انجام عملیات محاسباتی سود می‌برند؛ کامپیوترهایی که می‌توانند در انجام برخی وظایف، از بهترین ابررایانه‌های کنونی بهتر عمل کنند. در نتیجه، تقاضای روزافزونی از طرف شرکت‌های پیشرو فناوری مانند ای‌بی‌ام، گوگل و مایکروسافت برای ساخت رایانه‌ی کوانتومی در مقیاس صنعتی با استفاده از ابررساناها وجود دارد.

ابررساناهای توپولوژیکی نظیر LaPt3P که به‌تازگی از طریق آزمایش‌ آرام‌سازی چرخش میون و تجزیه و تحلیل نظری گسترده کشف شده است، دستاوردی بسیار نادر و برای آینده محاسبات کوانتومی از ارزش فوق‌العاده‌ای برخوردار است.

میون، ذره زیر اتمی ابتدایی مشابه الکترون، اما ۲۰۷ برابر سنگین‌تر از آن است. ذره یادشده در دو شکل بار منفی و ذره با بار مثبت یافت می‌شود. در ابتدا تصور می‌شد که میون ذره‌ای است که توسط فیزیکدان ژاپنی یوکاوا هیدکی در سال ۱۹۳۵ ایجاد شده تا نیروی عظیمی که پروتون‌ها و نوترون‌ها را در هسته‌های اتمی به هم متصل می‌کند، توضیح بدهد؛ اما در واقع میون در سال ۱۹۳۶ توسط کارل دی. اندرسون و ست ندرمایر، فیزیکدان‌های آمریکایی به‌عنوان سازنده «رگبارهای» ذرات پرتوی کیهانی کشف شد. 

سپس مشخص شد که میون به‌درستی به‌عنوان عضوی از گروه ذرات زیر اتمی لپتون منصوب شده است؛ بدین معنی که هرگز از طریق برهم‌کنش قوی با هسته‌ها یا ذرات دیگر واکنش نشان نمی‌دهد. یک میون نسبتاً ناپایدار است و قبل از اینکه توسط نیروی ضعیف به الکترون و دو نوع نوترینو تجزیه شود، عمر آن فقط ۲٫۲ میکروثانیه به‌ طول می‌انجامد. ازآنجا که میون‌ها شارژ می‌شوند، قبل از فروپاشی با جابه‌جایی الکترون‌ها از اتم‌ها انرژی خود را از دست می‌دهند و به‌اصطلاح یونیزاسیون می‌شوند. میون در سرعت‌های زیاد (نزدیک به سرعت نور)، یونیزاسیون انرژی را در مقادیر نسبتاً کمی پراکنده می‌کند؛ بنابراین  میون‌های موجود در تابش کیهانی به‌شدت نافذ هستند و می‌توانند هزاران متر زیر سطح زمین حرکت کنند.

مدتی است که غول‌های صنعت تکنولوژی نظیر گوگل، ای‌بی‌ام، هانی‌ول، اینتل و... در جدالی برای دستیابی به قدرت و برتری‌ کوانتومی هستند؛ زیرا آن‌ها بر این باورند که انقلاب بعدی پردازشی به‌ واسطه رایانه‌ی کوانتومی صورت خواهد گرفت. در حال حاضر کامپیوترهای مذکور با مشکلات متعددی نظیر مقیاس‌پذیر، خنک‌سازی و... مواجه هستند؛ اما پیشرفت‌های اخیر از آینده‌ای روشن و جذاب در این حوزه حکایت دارند و شاید به‌زودی شاهد کامپیوترهایی باشیم که در بطن آن‌ها میلیون‌ها کیوبیت جای گرفته است؛ درحالی‌که نسخه‌های کنونی به استفاده از ده‌ها کیوبیت محدود شده‌اند.

برای مثال، قانون مور می‌گوید تعداد ترانزیستورهایی که می‌توانند روی صفحه‌ی مدار منطقی قرار بگیرند، تقریبا هر دو سال دو برابر می‌شود. نزدیک‌ترین اصل کوانتوم به قانون مور، همان است که از آن به‌عنوان قانون رُز (Rose) یاد می‌شود که به‌وسیله‌ی جوردی رُز در سال ۲۰۰۲ تدوین شده است. قانون یادشده بیان می‌کند که تعداد کیوبیت‌های یک کامپیوتر کوانتومی هر دو سال دو برابر می‌شود. در مقایسه با قانون مور، مسلما مفاهیم قانون رُز عمیق‌تر هستند؛ زیرا در هر بخش، برهم‌نهی کوانتومی قدرت بسیار بیشتری در مقایسه‌ با بیت‌های باینری در ترانزیستورها به ارمغان می‌آورد.

تولید اَبَررسانای جدید می‌تواند نقطه‌ی عطفی در این مسیر باشد. گفته می‌شود برای اطمینان از عملکرد اَبَررسانای جدید، هر دو شکل میون با بار مثبت و منفی در دانشگاه وارویک و در ETH زوریخ تهیه و ظاهرا آزمایش‌های میون در دو نوع مختلف از امکانات میون Neutron Pulsed Neutron و Muon Source در آزمایشگاه STFC و در PSI سوئیس انجام شده است. دکتر سودیپ کومار غوش، محقق اصلی پروژه مذکور در این باره می‌گوید: «این کشف ابررسانای توپولوژیک LaPt3P پتانسیل فوق‌العاده‌ای در زمینه محاسبات کوانتومی دارد. کشف چنین مؤلفه‌ای نادر و دلخواه اهمیت تحقیقات میون را برای دنیای روزمره پیرامون ما نشان می‌دهد.»