ابداع معماری جدیدی برای چیپ: یک گام نزدیکتر به کامپیوترهای کوانتومی

کامپیوترها حاصل تولد کوانتوم بودند. اکنون این فرزندان خلف به کمک علم مادر خود آمده و بسیاری از محاسبات کوانتومی را انجام می دهند، اما این تعامل به اینجا ختم نمی شود، کوانتوم بازهم به فرزند خود کمک می کند. با دیپ لوک همراه باشید… امروزه کوانتوم به لطف پیشرفت هایی که کرده، می تواند باز هم نسل جدیدی از کامپیوترها را بیافریند. کامپیوترهای کوانتومی به طور نظری قادر به شبیه سازی برهمکنش های ملکول ها در سطحی حتی بالاتر از ابرکامپیوترهای امروزی هستند. چنین محاسباتی می توانند شیمی، زیست شناسی و علم مواد را متحول کنند، اما توسعه  ی کامپیوترهای کوانتومی با توانایی افزایش تعداد بیت های کوانتومی یا همان کیوبیت ها که رمزگشایی و ذخیره شده و به حجم عظیمی از داده ها دست می یابند، محدود شده است.

ابداع معماری جدیدی برای چیپ: یک گام نزدیکتر به کامپیوترهای کوانتومی

در مقاله ای که این هفته در ژورنال فیزیک کاربردی چاپ شد، تیمی از محققان در موسسه ی تحقیقاتی جورجیا، دستگاه جدیدی را معرفی کردند که قراردادن تعداد بیشتری از الکترون ها را در یک چیپ امکان پذیر می کند؛ گام بسیار مهمی که می تواند دانسیته ی کیوبیت را افزایش داده و ما را یک قدم به کامپیوترهای کوانتومی نزدیکتر کند.

نیکلاس گایز، پژوهشگر ارشد این پروژه می گوید: ” برای نوشتن حالت کوانتومی سیستمی با تنها ۳۰۰ کیوبیت، به ۳۰۰^۲ (۲ به توان ۳۰۰) عدد نیاز است: تقریباً معادل تعداد پروتون های شناخته شده در کائنات! واضح است که هیچ یک از کامپیوترهای امروزی قادر به محاسبه ی این حجم از اعداد نیستند و این همان دلیلی است که شبیه سازی کامل حتی یک سیستم متوسط کوانتومی را غیرممکن می کند، بنابراین برای شبیه سازی ملکول های پیچیده ی شیمی، قطعاً به کامپیوترهای کوانتومی نیاز خواهیم داشت.”

بگذارید کمی مسئه را باز کنیم: کامپیوترهای امروزی از بیت های کلاسیکی استفاده می کنند، در حالیکه کامپیوترهای کوانتومی از بیت های کوانتومی یا همان کیوبیت ها(qbits) برای ذخیره ی اطلاعات استفاده می کنند. همان طور که همه ی ما میدانیم، بیت های کلاسیکی از ۰ و ۱ استفاده می کنند، اما یک کیوبیت از یک ویژگی خارق العاده ی کوانتومی استفاده کرده و در آن واحد می تواند هم ۰ و هم ۱ باشد! این ویژگی “انطباق” نامیده شده و رمزگشایی حجم بسیار بیشتری از اطلاعات را امکان پذیر می کند. از آنجایی که کیوبیت ها می توانند با یکدیگر و به روشی که بیت های کلاسیکی قادر نیستند، همبسته شوند، می توان به کمک آنها محاسبات بزرگ موازی را انجام داد. چالشی که در این زمینه با آن مواجه هستیم، رشد و بزرگ سازی این تکنولوژی است، درست مثل حرکت از اولین ترانزیستورها به اولین کامپیوترها!

خلق قطعات سازنده ی کامپیوترهای کوانتومی

شاید از خود پرسیده باشید کیوبیت چیست و چگونه می توان آن را تولید کرد؟ یکی از نامزدهای کیوبیت، یون های به دام افتاده درون یک محفظه ی خلأ و دستکاری آنها با لیزر است. معماری هایی که در حال حاضر برای به دام انداختن یونها به کار می رود، محدود است چرا که برای ارتباط بین الکترودها، باید میدان هایی را در لبه ی چیپ تولید کرد، بنابراین تعداد آنها توسط محیط چیپ محدود می شود. رویکرد GTRI/Honeywell از تکنیک های جدیدی برای ساخت استفاده می کند که به کمک آن می توان تعداد الکترودهای بیشتری را در چیپ، جای داد، در حالیکه دسترسی لیزر نیز همچنان حفظ می شود.

تیم طراحی از نوعی بسته بندی موسوم به “آرایه ی شبکه ی توپی” (BGA) برای سوارکردن مدارهای همبسته، ایده گرفتند. ویژگی کلیدی آرایه ی شبکه ی توپی، این است که می تواند سیگنال های الکتریکی را مستقیماً از پشت به سطح بیاورد و بنابراین باعث افزایش دانسیته ی پتانسیل اتصالات الکتریکی شود.

محققان برای آزاد کردن فضای بیشتری در چیپ، خازن های سطح و لبه را با خازن های گودالی جایگزین کردند. با این آزادسازی فضا، می توان بر جای گیری درست پرتوی لیزر برای عملکرد سریع در تک کیوبیت ها تمرکز کرد. برخلاف مشکلات اولیه ای که در اتصال چیپ ها وجود داشت، با همکاری Honeywell، راه حلی پیشنهاد شد و دستگاه، یون ها را از روز اول به دام انداخت.

تیم از نتایج به وجد آمدند. گایز می گوید: ” یون ها نسبت به میدان های الکتریکی سرگردان و سایر منابع نویز، بسیار حساس هستند و میکرون های اندکی از ماده ی اشتباه در مکان اشتباه، می توند به دام اندازی را خراب کند. اما هنگامی که به دام اندازی BGA را از طریق یک سری آزمایشها، امتحان کردیم، در کمال تعجب دریافتیم که مانند به دام اندازی قبلی ما کار می کند.”

در حال حاضر، کارکردن با کیوبیت های یون به دام افتاده، به اتاقی با تمام تجهیزات و البته چند دانشجوی کارشناسی(برای نظارت بر انجام درست کار!) نیاز دارد. پروژه ی BGA نشان می دهد که می توان  الکترودهای بیشتری را روی یک چیپ جای داده و آنها را از پشت چیپ، با روشی کاربردی و قابل توسعه سیم کشی کرد. اما هنوز چالش های مهندسی برای مینیاتوری کردن این سیستم وجود دارد.