دانشمندان استرالیایی اولین مدار کامپیوتر کوانتومی جهان را ایجاد کرده اند. مداری که شامل تمام اجزای ضروری موجود در یک تراشه کامپیوتری کلاسیک اما در مقیاس کوانتومی است. این کشف مهم، ۹ سال در دست ساخت بود.
میشل سیمونز، نویسنده ارشد و فیزیکدان کوانتومی، بنیانگذار محاسبات کوانتومی سیلیکون گفت: “این هیجان انگیزترین کشف زندگی حرفه ای من است.”
سیمونز و تیمش نه تنها چیزی را ایجاد کردند که اساساً یک پردازنده کوانتومی کاربردی است. بلکه آن را با مدلسازی یک مولکول کوچک که در آن هر اتم چندین حالت کوانتومی دارد، با موفقیت آزمایش کردند. چیزی که یک کامپیوتر سنتی برای رسیدن به آن تلاش میکند.
این نشان میدهد که ما اکنون یک قدم به استفاده از قدرت پردازش کوانتومی برای درک بیشتر دنیای اطرافمان، حتی در کوچکترین مقیاس، نزدیکتر شدهایم.
سیمونز در ادامه گفت: “در دهه ۱۹۵۰، ریچارد فاینمن گفت که ما هرگز نمیتوانیم بفهمیم جهان چگونه کار میکند.(طبیعت چگونه کار میکند) مگر اینکه واقعاً بتوانیم آن را در همان مقیاس بسازیم. اگر بتوانیم مواد را در آن سطح درک کنیم، می توانیم چیزهایی طراحی کنیم که قبلا هرگز ساخته نشده اند. سوال این است: واقعاً چگونه طبیعت را در آن سطح کنترل می کنید؟”
اولین ترانزیستور
آخرین اختراع به دنبال ساخت اولین ترانزیستور کوانتومی توسط تیم در سال ۲۰۱۲ صورت گرفت.
(ترانزیستور دستگاه کوچکی است که سیگنال های الکترونیکی را کنترل می کند و فقط یک قسمت از مدار کامپیوتر را تشکیل می دهد. یک مدار مجتمع پیچیده تر است زیرا تعداد زیادی ترانزیستور را در کنار هم قرار می دهد.)
برای انجام این جهش در محاسبات کوانتومی، محققان از یک میکروسکوپ تونلی روبشی در خلاء فوقالعاده بالا برای قرار دادن نقاط کوانتومی با دقت زیر نانومتری استفاده کردند. قرارگیری هر نقطه کوانتومی باید دقیقاً درست باشد تا مدار بتواند نحوه جهش الکترون ها را در امتداد رشته ای از کربن های تک و دو پیوند در یک مولکول پلی استیلن تقلید کند.
مشکلترین بخش این بود: دقیقاً چند اتم فسفر باید در هر نقطه کوانتومی وجود داشته باشد. فاصله هر نقطه دقیقاً چقدر باید باشد. سپس مهندسی ماشینی که بتواند نقاط ریز را دقیقاً در چینش درست داخل تراشه سیلیکونی قرار دهد.
به گفته محققان، اگر نقاط کوانتومی خیلی بزرگ باشند، برهمکنش بین دو نقطه “بسیار بزرگتر از آن است که بتوان آنها را به طور مستقل کنترل کرد.” اگر نقطهها خیلی کوچک باشند، تصادفی بودن را نشان میدهد. زیرا هر اتم فسفر اضافی میتواند مقدار انرژی لازم برای افزودن یک الکترون دیگر به نقطه را به طور قابلتوجهی تغییر دهد.
تراشه کوانتومی نهایی حاوی ۱۰ نقطه کوانتومی بود که هر کدام از تعداد کمی اتم فسفر تشکیل شده بودند. پیوندهای دو کربنه با قرار دادن فاصله کمتر بین نقاط کوانتومی نسبت به پیوندهای تک کربنی شبیه سازی شدند.
پلی استیلن به این دلیل انتخاب شد که یک مدل شناخته شده است. بنابراین می توان از آن برای اثبات اینکه کامپیوتر به درستی حرکت الکترون ها را از طریق مولکول شبیه سازی می کند، استفاده کرد.
دلایل نیاز به کامپیوتر کوانتومی
کامپیوترهای کوانتومی مورد نیاز هستند زیرا کامپیوترهای کلاسیک نمی توانند مولکول های بزرگ را مدل کنند. آنها بیش از حد پیچیده هستند.
به عنوان مثال، برای ایجاد شبیه سازی مولکول پنی سیلین با ۴۱ اتم، یک کامپیوتر کلاسیک به ۱۰۸۶ ترانزیستور نیاز دارد که “ترانزیستورهای آن بیشتر از اتم های موجود در جهان قابل مشاهده است”. برای یک کامپیوتر کوانتومی، فقط به یک پردازنده با ۲۸۶ کیوبیت (بیت کوانتومی) نیاز دارد.
از آنجایی که دانشمندان در حال حاضر دید محدودی در مورد نحوه عملکرد مولکول ها در مقیاس اتمی دارند، حدس های زیادی برای ایجاد مواد جدید وجود دارد.
سیمونز می گوید: “یکی از آرزوهای بشر ساخت یک ابررسانا با دمای بالا بوده است. مردم مکانیسم نحوه عملکرد آن را نمی دانند.”
یکی دیگر از کاربردهای بالقوه محاسبات کوانتومی، مطالعه فتوسنتز مصنوعی و چگونگی تبدیل نور به انرژی شیمیایی از طریق زنجیره آلی واکنش ها است.
مشکل بزرگ دیگری که کامپیوترهای کوانتومی می توانند به حل آن کمک کنند، ایجاد کودهای شیمیایی است. پیوندهای نیتروژن سه گانه در حال حاضر تحت شرایط دما و فشار بالا در حضور یک کاتالیزور آهن شکسته می شوند تا نیتروژن ثابت برای کود ایجاد شود. یافتن یک کاتالیزور متفاوت که بتواند کود را موثرتر کند، باعث صرفه جویی در هزینه و انرژی میشود.
سیمونز می گوید که دستیابی به جابجایی از ترانزیستور کوانتومی به مدار (تنها در ۹ سال)، تقلید از نقشه راه تعیین شده توسط مخترعان کامپیوترهای کلاسیک است.
اولین ترانزیستور کامپیوتری کلاسیک را در سال ۱۹۴۷ ساختند. اولین مدار مجتمع در سال ۱۹۵۸ ایجاد شد. این دو اختراع ۱۱ سال از هم فاصله داشتند. تیم سیمونز این جهش را دو سال زودتر از موعد مقرر انجام داد.