توضیح ساده کامپیوتر کوانتومی | رفع یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های کامپیوتر کوانتومی

مهندسان کوانتومی از UNSW سیدنی با موفقیت در توسعه فناوری محاسبات کوانتومی، مشکلی را حل کرده‌اند که مدت‌ها بود دانشمندان را ناامید کرده است و تا به امروز مانع بزرگی برای توسعه نسل بعدی کامپیوترها محسوب می‌شد. مشکل مورد نظر شامل کیوبیت‌های چرخشی است که واحدهای اساسی اطلاعات در پردازنده کوانتومی سیلیکون هستند. اما ابتدا بیایید بررسی کنیم که، پردازنده کوانتومی سیلیکون چیست؟ در ادامه به توضیح ساده کامپیوتر کوانتومی و رفع یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های آن می‌پردازیم.

توضیح ساده کامپیوتر کوانتومی

در محاسبات کلاسیک، اطلاعات با بارهای الکتریکی در سیلیکون نمایش داده می‌شود ولی در محاسبات کوانتومی، اطلاعات از طریق اسپین‌، خاصیت الکترون یا اتمی که به آن مغناطیس می‌دهد، منتقل می‌شود.

بنابراین، یک پردازنده کوانتومی سیلیکون هسته رایانه کوانتومی است و کیوبین اسپین واحد اطلاعاتی است که از طریق چرخش الکترون‌های موجود در آن منتقل می‌شود. هنوز متوجه نشده‌اید از چه چیزی صحبت می‌کنم؟

پیشرفت موفقیت آمیز این تیم، نگرانی‌هایی راجع به این کیوبیت‌های چرخشی ایجاد کرده است که به طور سنتی کنترل آنها بسیار کارساز بوده است.

جارید پل، سرپرست تیم تحقیق می‌گوید: تا این زمان، کنترل کیوبیت‌های اسپینی الکترون به این متکی بود که میدان‌های مغناطیسی مایکروویو را با قرار دادن جریان از طریق سیم در کنار کیوبیت ارائه دهیم.

اگر بخواهیم میلیون‌ها کیوبیت مورد نیاز کامپیوترهای کوانتومی را برای حل مشکلات مهم جهانی مانند طراحی واکسن‌های جدید افزایش دهیم، این کار چالش‌های زیادی ایجاد می‌کند.

در ابتدا، میدان‌های مغناطیسی با فاصله، بسیار سریع از بین می‌روند، بنابراین ما فقط می‌توانیم کیوبیت‌های نزدیک به سیم را کنترل کنیم. این بدان معناست که ما باید سیم‌های بیش‌تری اضافه کنیم زیرا تعداد بیش‌تری کیوبیت را وارد می‌کنیم، که جای زیادی را در تراشه اشغال می‌کند و از آنجا که این تراشه باید در دمای سرد و منفی ۲۷۳ درجه سانتی گراد کار کند، Pla می‌گوید وارد کردن سیم‌های بیش‌تر باعث ایجاد گرمای بیش از حد در تراشه می‌شود و در کارکرد کیوبیت‌ها اختلال ایجاد می‌کند.

بنابراین، ما فقط می‌توانیم چند کیوبیت را با این تکنیک سیم کنترل کنیم.

رفع یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های کامپیوتر کوانتومی

برای دور زدن این مشکل، تیم متوجه شد که باید ساختار تراشه سیلیکون را دوباره طراحی کند. آنها به جای استفاده از سیم، پیشنهاد کردند که یک میدان مغناطیسی در بالای تراشه ایجاد شود که می‌تواند همه کیوبیت‌ها را به طور همزمان دستکاری کند. چشم انداز کنترل همه کیوبیت‌ها به طور همزمان با استفاده از میدان مغناطیسی برای اولین بار در دهه ۱۹۹۰ مطرح شده بود، اما تا کنون هیچ کس روش عملی برای این کار طراحی نکرده است.

ابتدا سیم کنار کیوبیت‌ها را برداشته و سپس راهی جدید برای ارائه میدان‌های کنترل مغناطیسی با فرکانس مایکروویو در کل سیستم ارائه دادیم. بنابراین، در اصل، ما می‌توانیم میدان های کنترل را تا چهار میلیون کیوبیت ارائه دهیم.

Pla و تیم سپس یک جزء جدید را دقیقا در بالای تراشه سیلیکون قرار دادند، یک منشور کریستالی به نام تشدید کننده دی الکتریک. هنگامی که امواج مایکروویو به سمت رزوناتور هدایت می‌شوند، طول موج مایکروویو را به اندازه بسیار کوچک‌تر متمرکز می‌کند. رزوناتور دی الکتریک طول موج را به زیر یک میلی متر کاهش می‌دهد، بنابراین ما اکنون تبدیل بسیار کارآمد توان مایکروویو به میدان مغناطیسی را داریم که چرخش تمام کیوبیت‌ها را کنترل می‌کند.

دو نوآوری کلیدی در این فرآیند وجود دارد. اولین مورد این است که ما مجبور نیستیم قدرت زیادی را برای به دست آوردن یک میدان محرک قوی برای کیوبیت‌ها به کار گیریم، که این امر به این معنی است که ما گرمای زیادی تولید نمی‌کنیم. مورد دوم این است که میدان در سراسر تراشه بسیار یکنواخت است، به طوری که میلیون‌ها کیوبیت همه در سطح کنترل یکسانی قرار می‌گیرند.

این تیم با پروفسور UNSW Andrew Dzurak همکاری کرد، تیمی که طی یک دهه گذشته اولین و دقیق‌ترین منطق کوانتومی را با استفاده از همان فناوری تولید سیلیکون که برای ساخت تراشه‌های رایج رایانه استفاده می‌شود، نشان داد.

جوراک می‌گوید: هنگای که جارید با ایده جدید خود سراغ من آمد، من کاملا تحت تاثیر قرار گرفتم و بلافاصله دست به کار شدیم تا ببینیم چگونه می‌توانیم آن را با تراشه‌های کیوبیتی که تیم من توسعه داده ادغام کنیم. وقتی آزمایش موفقیت آمیز انجام شد ما بسیار خوشحال شدیم. در واقع نحوه کنترل میلیون‌ها کیوبیت مدت‌ها بود که من را نگران کرده بود، زیرا این مانع بزرگی برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی در مقیاس کامل بود.

آینده‌ی کامپیوتر‌های کوانتومی

تیم امیدوار است از این نوآوری جدید برای ساده سازی طراحی کامپیوترهای کوانتومی استفاده شود. حذف سیم کنترل روی تراشه، فضا را برای کیوبیت‌های اضافی و سایر وسایل الکترونیکی مورد نیاز برای ساخت پردازنده کوانتومی آزاد می‌کند. این کار رفتن به مرحله بعدی تولید دستگاه‌ها با ده‌ها کیوبیت را بسیار ساده‌تر می‌کند. Pla می‌گوید: در حالی که چالش‌های مهندسی برای حل مشکل پردازنده‌های با یک میلیون کیوبیت از قبل وجود دارد، ما از این واقعیت که ما اکنون راهی برای کنترل آنها داریم، هیجان زده هستیم.

این اولین بار نیست که مهندسان کوانتوم در UNSW سیدنی در مسیر آینده کوانتومی پیشرفت می‌کنند: در آوریل ۲۰۲۰، تیمی به رهبری ژوراک واحد پردازنده کوانتومی اثبات شده ای را منتشر کرد که می‌تواند به کامپیوترهای کوانتومی اجازه دهد در ۱/۵ کلوین کار کنند. ۱۵ برابر گرمتر از پردازنده‌های کوانتومی که قبلاً می‌توانستند در آن شرایط کار کنند (به طور معمول، کامپیوترهای کوانتومی برای کارکردن فقط باید کمتر از یک درجه بالای صفر مطلق باشند) و نیاز به تجهیزات برودتی را که میلیون‌ها دلار هزینه دارد، کاهش می‌دهد.

رایانه‌های کوانتومی، هنگامی که به واقعیت تبدیل شوند، امکان حل مشکلات فوق العاده سریع و پردازش تعداد زیادی داده را فراهم می‌کنند که یک رایانه معمولی در زمان بسیار بیش‌تری انجام می‌داد. برنامه‌های کاربردی این چنینی می‌تواند در ایجاد درمان‌های پزشکی جدید ابتکاری تا قیمت گذاری ابزارهای مالی موثر باشد.

حال که توضیح ساده کامپیوتر کوانتومی و رفع یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های آن را دریافتید می‌توانید از دیگر مقالات سایت اول نیوز دیدن کنید.