مهندسان استفاده از کامپیوترهای کوانتومی را در دمای اتاق ممکن کردند

بسیاری از پژوهش‌های کنونی در رابطه با توسعه‌ی کامپیوترهای کوانتومی، شامل کار با دماهای بسیار پایین است. یکی از بزرگترین چالش‌ها در خصوص عملی کردن استفاده از چنین کامپیوترهایی در کاربردهای روزمره، ممکن ساختن کارکرد آنها در دمای اتاق است. دستیابی به این موفقیت از طریق بکارگیری تعدادی ماده‌ی روزمره، ممکن شده است و جزئیات آن، هفته‌ی جاری در مجله Nature Communications منتشر شده است.

یک کامپیوتر معمولی امروزی اطلاعات را به کمک یک سیستم عددی دودویی از بیت‌های گسسته که با ۰ یا ۱ نشان داده می‌شوند، به نمایش درمی‌آورد. یک کامپیوتر کوانتومی از دنباله‌ای از بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت استفاده می‌کند. آنها می‌توانند اطلاعات را به صورت ۰ یا ۱ یا هر سری از حالات بین ۰ و ۱، که به عنوان برهم‌نهی کوانتومی آن کیوبیت‌ها شناخته می‌شود، به نمایش بگذارند. این جهش، کامپیوترهای کوانتومی را قادر به حل مسائل با سرعت و قدرتی بسیار بیشتر از کامپیوترهای امروزی می‌کند.

هر الکترون دارای یک بار و یک اسپین است (اسپین تعیین‌کننده‌ی تولید یا عدم تولید میدان مغناطیسی توسط یک اتم است). اسپین می‌تواند به عنوان یک کیوبیت نیز استفاده شود، چرا که می‌تواند دستخوش گذار بین حالات کوانتومی اسپین بالا و اسپین پایین باشد که در فرم کلاسیک با ۰ و ۱ نشان داده می‌شوند.

اما حالات اسپین الکترون باید در برابر "واهمدوسی" مقاوم باشد. واهمدوسی به مفهوم اختلال اسپین الکترون در طول برهم‌نهی کوانتومی است که می‌تواند در نهایت به از دست رفتن اطلاعات منجر شود.

طول عمر اسپین الکترون تحت تاثیر ارتعاشات شبکه در یک ماده و قرارگیری در مجاورت برهم‌کنش‌های مغناطیسی است. برای محاسبات کوانتومی به اسپین‌های الکترونی با طول عمر بیش از ۱۰۰ نانوثانیه نیاز است. خنک‌سازی یک ماده و رساندن آن به دماهایی نزدیک به صفر مطلق (۲۷۳- درجه‌ی سلسیوس)، طول عمر اسپین‌ها را افزایش می‌دهد. استفاده از موادی با رسانایی مغناطیسی خالص نیز تاثیر مشابهی دارد.

بنابراین دستگاه‌های کوانتومی که از موادی با اتم‌های سنگین مانند سیلیکون یا فلزات بهره می‌گیرند، باید به دماهایی نزدیک به صفر مطلق برسند. مواد دیگری برای انجام دستکاری‌های کوانتومی در دمای اتاق، استفاده شده است. اما این مواد باید به لحاظ ایزوتوپی مهندسی شده باشد و این موضوع نیاز به تسهیلات زیادی مانند راکتورهای هسته ای و محدودیت‌هایی در رابطه با چگالی کیوبیت در برخواهد داشت.

مولکول‌هایی مانند ترکیبات خوشه‌ای آلی – فلزی نیز استفاده شده است، اما این مولکول‌ها نیز به دماهای پایین و مهندسی ایزوتوپی نیاز دارند. مصالحه‌های واضح و روشنی در رابطه با امکان استفاده از یک سیستم مواد کیوبیت برای رایانش کوانتومی وجود دارد که باید در نظر گرفته شوند.

ماده‌ای هادی با وزن اتمی پایین و طول عمر اسپین الکترون بیش از ۱۰۰ نانو ثانیه در دمای اتاق می‌تواند رایانش کوانتومی عملی را ممکن سازد. چنین ماده‌ای، بهترین جوانب طرح‌های کیوبیت کنونی مواد حالت جامد را ترکیب خواهد کرد.

نشان داده شده است که می‌توان در دمای اتاق به طول عمرهای بالای اسپین الکترون در ماده‌ای فلز مانند، ساخته شده از نانوکره‌های کربن دست یافت. این ماده به سادگی با سوزاندن گلوله‌های نفتالین به دست می‌آید.

ماده‌ی یاد شده به صورت پودر جامد تولید شده و در هوا به کار گرفته می‌شود. این ماده سپس می تواند در اتانول و حلال‌های آب حل شده یا به طور مستقیم بر روی سطحی مانند شیشه رسوب کند. با توجه به همگن بودن این ماده، اندازه‌گیری‌ها بر روی توده‌ای از پودر جامد نیز امکان‌پذیر بود

این موضوع رسیدن به رکورد جدید طول عمر ۱۷۵ نانوثانیه‌ای اسپین الکترون در دمای اتاق را برای ما امکان‌پذیر کرد. طول عمر به دست آمده، فراتر از مقدار مورد نیاز برای کاربردهای رایانش کوانتومی بوده و در حدود ۱۰۰ برابر نیز بیشتر از مقدار به دست آمده در گرافین است.

این امر ممکن است به دلیل ناخالص‌سازی الکترون‌های هادی و تحدید فضایی آنها در ابعاد نانومتر توسط خود ماده بوده باشد. این اساسا به مفهوم آن است که این کره‌ها می‌توانند در حین حفظ خاصیت الکترونیکی منحصربفرد خود، به طور کامل از کربن ساخته شوند.

این پژوهش امکان بهره‌گیری از کیوبیت‌های اسپین را در مواد رسانا و در دمای اتاق فراهم می‌کند‌. روش جدید به هیچ گونه مهندسی ایزوتوپی در ماده‌ی میزبان، رقیق‌سازی مولکول حامل اسپین یا دماهای بسیار پایین نیاز ندارد. بنابراین این روش در اصل امکان وجود بسته‌های کیوبیتی با چگالی بالاتری را نسبت به کیوبیت‌های دیگر به کار رفته در سیلیکون، فراهم می‌کند.

آماده‌سازی بسیار آسان ماده‌ی کربنی با استفاده از شناساگر‌های رایج آزمایشگاهی، بسیاری از موانع تکنولوژیکی تحقق رایانش کوانتومی عملی را کاهش می‌دهد. به عنوان مثال، سیستم‌های تبرید مورد نیاز برای خنک‌سازی مواد و رساندن آنها به دماهای نزدیک به صفر مطلق، می‌تواند میلیون‌های داشته باشد و فضاهای فیزیکی بسیار بزرگی را نیز اشغال کند.

برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی ابتدا لازم است تا نشان داده شود که کیوبیت‌ها می‌توانند دستخوش مواردی مانند برهم‌نهی حالات کوانتومی و ساخت یک گیت منطقی کوانتومی (سوئیچ)، شوند. در این پژوهش مورد اول نشان داده شده است و مورد دوم بیش از آنکه علمی بسیار پیشرفته باشد، یک سوال مهندسی است. گام بعدی ساخت یک گیت منطقی کوانتومی حقیقی خواهد بود.

مورد هیجان‌انگیز این است که این ماده در فرمی مناسب برای دستگاه‌های پردازشی آماده شده است. در حال حاضر نشان داده شده است که نانوکره‌های کربنی رسانا را می‌توان به صورت جداگانه بر روی سطح سیلیکون ایزوله کرد. در اصل، این متد ممکن است یک مسیر اولیه به سمت آرایه‌های کیوبیت چگالی بالا از نانوکره‌هایی باشد که با فناوری‌های سیلیکون کنونی یا قطعات الکترونیکی مبتنی بر فیلم‌های باریک، ادغام شده است.