گام بزرگ محققان در کوانتوم؛ فناوری جدیدی که ساخت کامپیوترهای ۱۰۰۰۰۰ کیوبیتی را ممکن می‌سازد

تله نوری متاسرفیس راه را برای توسعه کامپیوترهای ۱۰۰ هزار کیوبیتی هموار می‌کند.

فیزیک‌دانان دانشگاه کلمبیا با ترکیب تله‌های نوری و متاسرفیس‌ها یا فراسطوح بیش از ۱۰۰۰ اتم را به‌دام انداختند و نشان دادند این روش توان مقیاس‌پذیری تا صدها هزار اتم را دارد. این دستاورد می‌تواند مسیر ساخت رایانه‌های کوانتومی با بیش از ۱۰۰ هزار کیوبیت را هموار کند و به‌عنوان گامی کلیدی در مقیاس‌پذیری آرایه‌های اتم خنثی شناخته شود.

به گزارش نشریه Scitechdaily، «سباستین ویل»، فیزیک‌دان دانشگاه کلمبیا، می‌گوید: «ما درحال ایجاد زیرساخت حیاتی برای تولید رایانه‌های کوانتومی با بیش از ۱۰۰ هزار کیوبیت هستیم.» او و «نانفانگ یو»، فیزیک‌دان دیگر این دانشگاه، در مقاله‌ای تازه در ژورنال Nature نشان دادند که ترکیب تله نوری متاسرفیس می‌تواند اندازه آرایه‌های اتم خنثی را به‌طور چشمگیر افزایش دهد.

پژوهشگران با تله نوری متاسرفیس راه را برای آرایه‌های ۱۰۰ هزار کیوبیتی هموار کردند

آرایه‌های اتم خنثی به‌عنوان یکی از رویکردهای پیشرو برای ساخت سخت‌افزار کوانتومی مطرح شده‌اند. در این پروژه، پژوهشگران موفق شدند ۱۰۰۰ اتم استرانسیوم را در آرایه‌ای منظم به‌دام بیندازند. تحلیل آن‌ها نشان می‌دهد همین روش درصورت تأمین توان لیزر کافی می‌تواند به سیستم‌هایی با بیش از ۱۰۰ هزار اتم گسترش یابد.

اتم‌ها کیوبیت‌های خود طبیعت هستند. هر نوع اتم، از دید فیزیکی کاملاً یکسان است و این ویژگی نیاز به تنظیم و هم‌زمان‌سازی جداگانه هر کیوبیت را کاهش می‌دهد. این مزیت در مقیاس‌های بزرگ، برتری مهمی نسبت به سامانه‌های ساختگی مبتنی‌بر مدارهای ابررسانا یا نیمه‌رسانا ایجاد می‌کند.

هولمن می‌گوید: «گلوگاه اصلی همیشه یافتن روشی برای کنترل اتم‌ها در مقیاس بزرگ بوده است.» او تأکید کرد که تله نوری متاسرفیس می‌تواند این گلوگاه را برطرف کند.

در این پژوهش، اندازه هر پیکسل کمتر از ۲۰۰ نانومتر بود، درحالی‌که طول‌موج نور تله نوری ۵۲۰ نانومتر گزارش شد. این نسبت باعث شد فراسطح به‌طور مستقیم آرایه تله نوری ایجاد کند. روش‌های مبتنی‌بر مدولاتور نوری فضایی و انحراف‌دهنده آکوستو-اپتیکی به تجهیزات اضافی نیاز دارند که حجیم و گران هستند و اندازه نهایی آرایه را محدود می‌کنند.

یو می‌گوید: «متاسرفیس‌های استفاده‌شده در این کار را می‌توان برهم‌نهی ده‌ها هزار عدسی تخت روی یک صفحه دانست که هرکدام نقطه کانونی متفاوتی دارند. در نتیجه با تابش پرتو لیزر، یک متاسرفیس می‌تواند هم‌زمان ده‌ها هزار نقطه کانونی تولید کند.» این ویژگی، قلب مفهوم تله نوری متاسرفیس به‌شمار می‌آید.

متاسرفیس‌های این پژوهش از نیترید سیلیسیم و دی‌اکسید تیتانیوم ساخته شدند. این مواد توان تحمل لیزرهای بسیار پرقدرت با شدت نوری بیش از ۲۰۰۰ وات بر میلی‌مترمربع را دارند. این شدت حدود یک‌میلیون برابر شدت نور خورشید روی سطح زمین گزارش شده است. محققان می‌گویند: «توان تحمل توان بالا در فراسطوح همراه با مقیاس‌پذیری بالای نانوفابریکیشن در اتاق‌های تمیز که امکان تولید ادوات بزرگ‌تر و دقیق‌تر را فراهم می‌کند، سازوکار ما را برای ساخت آرایه‌های تله نوری بسیار بزرگ منحصربه‌فرد کرده است.»

گروه پژوهشی برای نمایش توانمندی سکوی تله نوری متاسرفیس، اتم‌ها را در چندین آرایه دوبعدی بسیار یکنواخت به‌دام انداخت. این الگوها شامل شبکه مربعی با ۱۰۲۴ جایگاه، الگوهای شبه‌بلور و طرح «مجسمه آزادی» با صدها جایگاه و دایره‌ای از اتم‌ها با فاصله کمتر از ۱٫۵ میکرومتر میان هر دو اتم بود. این سطح از کنترل هندسی، انعطاف‌پذیری بالای روش را نشان داد.

پژوهشگران همچنین متاسرفیسی با قطر ۳٫۵ میلی‌متر و بیش از ۱۰۰ میلیون پیکسل ساختند. این متاسرفیس آرایه ۶۰۰ در ۶۰۰ تولید کرد که معادل ۳۶۰ هزار تله نوری است. این عدد به مراتب بیشتر از ظرفیت فناوری‌های متداول به‌حساب می‌آید و نشان می‌دهد تله نوری متاسرفیس می‌تواند مرزهای فعلی را جابه‌جا کند.

گام بعدی این گروه، افزایش تعداد اتم‌های به‌دام‌افتاده خواهد بود که برای انجام آن به لیزری پرتوان‌تر نیاز است.