دانشمندان یک RAM کوانتومی جدید ساخته‌اند که با استفاده از پالس الکترومغناطیسی چهچههای، اطلاعات را می‌خواند و می‌نویسد و یک تشدیدگر ابررسانا آن را در مقایسه با حافظه‌های قبلی، به یک سخت‌افزار کارآمد تبدیل می‌کند. با کمک پژوهشی از این دست که نتایج آن به عنوان مقاله ویژه در مجله PRX منتشر شد، امید می‌رود کامپیوترهای کوانتومی آینده روزی بتوانند با RAMهای کوانتومی، مشابه با RAMهای کامپیوترهای کلاسیک کار کنند و در نتیجه سرعت اجرای الگوریتم‌های کوانتومی افزایش چشمگیری یابد. با دیپ لوک همراه باشید…
حافظه با دسترسی تصادفی یا همان RAM بخشی جدایی‌ناپذیر یک کامپیوتر است. RAM به عنوان یک بانک ذخیره اطلاعات کوتاه‌مدت عمل می‌کند و اطلاعات از آن، با سرعت زیادی فراخوانده می‌شوند. برنامه‌های گوشی یا کامپیوتر شما از RAM استفاده می‌کنند و به همین خاطر است که در چشم‌بر‌هم‌زدنی می‌توانید بین کارهای مختلفی که در حال انجام است، جابجا شوید. پژوهشگران در حال کار بر روی کامپیوترهای کوانتومی آینده هستند که امید می‌رود روزی بتوانند با RAMهای کوانتومی، مشابه با RAMهای کامپیوترهای کلاسیک، کار کنند و در نتیجه سرعت اجرای الگوریتم‌های کوانتومی بسیار بالاتر رود. این در حالی است که هدف دیگر پژوهشگران، بالا بردن چگالی اطلاعات قابل ذخیره در یک پردازنده کوانتومی است.
ساخت RAM کوانتومی
اینک جیمز اوسولیوان (James O’Sullivan) از مرکز فناوری‌های نانو لندن و همکارانش گام مهمی را در جهت تحقق بخشیدن به RAM کوانتومی برداشته‌اند. آنها روشی را ارائه کرده‌اند که از نظر سخت‌افزاری بهینه است و در آن از پالس‌های ریزموج چهچههای (chirped) برای ذخیره و بازیابی اطلاعات در اسپین اتم‌ها استفاده می‌شود. منظور از پالس‌های چهچههای، پالس‌های ریزموج الکترومغناطیسی است که فرکانس متغیر با زمان دارند؛ به نحوی که فرکانس موج الکترومغناطیسی در لحظاتی به طور ناگهانی بالا می‌رود.
اثبات تجربی ادوات حافظه کوانتومی نیز دقیقا مانند کامپیوترهای کوانتومی، در مراحل اولیه خود را قرار دارد. یکی از بسترهای پیشرو بر پایه تراشه در حوزه محاسبات کوانتومی، از مدارهای ساخته شده از فلزات ابررسانا استفاده می‌کند. در چنین سامانه‌ای، پردازش مرکزی به وسیله کیوبیت‌های ابررسانا انجام می‌شود که ارسال و دریافت اطلاعات را از طریق فوتون‌های ریزموج انجام می‌دهند. با این وجود، در حال حاضر هیچ حافظه کوانتومی وجود ندارد که بتواند به طرز قابل اطمینانی، این فوتون‌ها را برای مدت طولانی ذخیره کند. خوشبختانه دانشمندان ایده‌هایی برای غلبه بر این مشکل دارند.
یکی از این ایده‌ها استفاده از اسپین اتم‌های ناخالصی جاسازی شده در تراشه مدار ابررسانا است. اسپین یکی از ویژگی‌های بنیادی یک اتم است. این ویژگی مانند عقربه داخلی یک قطب‌نما عمل می‌کند که هم‌جهت و یا در خلاف میدان مغناطیسی خارجی و متناظر با صفر و یک است و می‌تواند برای ذخیره اطلاعات کوانتومی به کار رود. اگر تراشه تعداد زیادی اتم ناخالصی داشته باشد، اسپین اتم‌ها می‌تواند به عنوان یک حافظه چندحالته (multimode) عمل کند. این حافظه خواهد توانست اطلاعات موجود در چندین فوتون الکترومغناطیسی را به طور همزمان ذخیره کند.
زمان همدوسی بالای اسپین اتم‌های ناخالصی
زمان ذخیره اطلاعات برای اسپین‌های اتمی می‌تواند چند مرتبه بزرگی بزرگ‌تر از این زمان برای کیوبیت‌های ابررسانا باشد. پژوهشگران نشان داده‌اند که، برای مثال، اتم‌های بیمسوتی که در داخل تراشه‌های سیلیکونی قرار داده شده‌اند، می‌توانند اطلاعات کوانتومی را طولانی‌تر از یک ثانیه ذخیره کنند. در اینجا ممکن است این سوال پیش بیاید که چرا در محاسبات کوانتومی از کیوبیت‌های اسپینی به جای کیوبیت‌های ابررسانا استفاده نمی‌شود؟ در واقع گروه‌های پژوهشی وجود دارند که بر روی کامپیوترهای کوانتومی بر پایه اتم کار می‌کنند، اما کنترل و اندازه‌گیری اسپین‌های اتمی چالش‌های مختص به خود را دارد.
پژوهشگران در حال کار بر روی یک روش ترکیبی هستند که از کیوبیت‌های ابررسانا برای پردازش اطلاعات و از کیوبیت‌های اسپینی برای ذخیره اطلاعات استفاده می‌کند. اما چالشی که در اینجا مطرح شده، این است که چگونه می‌توان اطلاعات کوانتومی را با استفاده از فوتون‌های الکترومغناطیسی، بین این دو سامانه، منتقل کرد. در حال حاضر پژوهشگران، جذب و بازیابی اطلاعات از فوتون‌های ریزموج را با استفاده از یک گروه اسپین‌های اتمی اثبات کرده‌اند. البته این اثبات، نیازمند اعمال میدان‌های الکترومغناطیسی با گرادیان شدید یا مدارهای ابررسانای ویژه است که هر دو مورد، پیچیدگی‌هایی را به سخت‌افزار حافظه کوانتومی می‌افزایند.
راه حل چیست؟
اوسولیوان و همکارانش، راه حل جالبی را برای ذخیره و بازیابی اطلاعات بوسیله فوتون ریزموج پیشنهاد می‌کنند. این راه حل بر پایه یک سخت‌افزار کارآمد عمل می‌کند. دستگاهی که گروه آنها پیشنهاد می‌کند، از یک مدار تشدیدگر ابررسانا تکشیل شده که بر روی تراشه سیلیکونی می‌نشیند.
در این تراشه، اتم‌های بیسموت به عنوان ناخالصی جاسازی شده‌اند (شکل ۱). گروه اوسولیوان برانگیختگی‌های ریزموج ضعیفی را به درون تشدیدگر می‌فرستند که حدود ۱۰۰۰ فوتون دارند. این فوتون‌ها توسط اسپین اتم‌های بیسموت جذب می‌شوند. سپس تشدیدگر را با پالس‌های ریزموج الکترومغناطیسی که فرکانس افزایشی در طول زمان دارند، مورد برخورد می‌دهند. این شکل از پالس‌ها تحت عنوان چهچهه‌‌زن (chirping) شناخته می‌شوند. به همین دلیل، اطلاعات کوانتومی موجود در فوتون‌ها با یک شناسه‌ی «فاز» منحصر به فرد، بر روی اسپین ها حک می‌شود. این شناسه‌ی فاز، موقعیت‌های جهت نسبی اسپین‌های همسایه را نشان می‌دهد. گروه اوسولیوان سپس این اطلاعات را بازیابی کردند و فوتون‌ها را به مدار ابررسانا منتقل کردند. آنها دریافتند که فاز حک‌شده، معکوس شده است.
اوسولیوان و همکارانش نشان دادند که دستگاه ذخیره اطلاعات آنها قادر به ذخیره همزمان چندین قطعه از اطلاعات فوتونیک است. این اطلاعات کوانتومی فوتون‌هایی به شکل چهار پالس ریزموج ضعیف هستند. نکته مهمی که آنها نشان داده‌اند این است که اطلاعات می‌تواند به هر ترتیب دلخواهی خوانده شود. به همین دلیل است که دستگاه ساخته شده، به معنای واقعی کلمه یک حافظه با دستیابی تصادفی یا RAM است.
بازده پایین نقطه ضعف RAM کوانتومی
محققان در این اثبات تجربی، بازده ۳% را گزارش کرده‌اند. این بازده پایین نشان می‌دهد بیشتر اطلاعات توسط حافظه گم می‌شوند! بنابراین می‌توان گفت وسیله ساخته شده توسط آنها تا تبدیل شدن به یک حافظه قابل بازیابی و مورد اطمینان، که برای کامپیوترهای کوانتومی آینده نیاز است، راه درازی در پیش دارد. به هر حال، تحلیلی از منابع بالقوه این بازده پایین نشان می‌دهد که دلیل آن، نه فرآیند انتقال اطلاعات، بلکه محدودیت‌های این وسیله است. پژوهشگران تصور می‌کنند که با افزایش تعداد اسپین‌ها می‌توان کارآیی این دستگاه را به میزان قابل ملاحظه‌ای بهبود بخشید.
کوچکتر کردن کامپیوترهای کوانتومی
این RAMهای کوانتومی، همان‌طور که در ذخیره اطلاعات کاربرد دارند، می‌توانند در بالاتر بردن چگالی کیوبیت‌ها در یک پردازنده کوانتومی نیز مؤثر باشند. در ماه سپتامبر، شرکت آی بی ام یک یخچال رقیق‌کننده بزرگ به نام Goldeneye project را معرفی نمود. این دستگاه فوق سردکننده غول پیکر، سه برابر یک یخچال خانگی حجم دارد. گلدن آی، میزبان نسل بعدی کامپیوتر کوانتومی ابررسانای شرکت IBM خواهد بود. کامپیوترهای کوانتومی موجود، چگالی کیوبیت کمتر از ۱۰۰ کیوبیت بر میلیمتر مربع دارند؛ در حالی که تراشه‌های کامپیوترهای کلاسیکی حاوی ۱۰۰ میلیون ترانزیستور بر میلیمتر مربع هستند.
دلیل حجم بالای سردکننده‌ی آی بی ام را از همین جا می‌توان فهمید. حافظه کوانتومی بر پایه اسپین تیم اوسولیوان و همکارانش، در اصل، خواهد توانست چندین حالت کیوبیت را در فضایی که در حال حاضر توسط یک کیوبیت اشغال می‌شود، ذخیره کند. این مسئله ممکن است روزی به حل مشکل اندازه کامپیوترهای کوانتومی کمک کند.
گفتگو۱ دیدگاه
متشکرم