شکست بزرگ‌ترین مانع رایانش کوانتومی؛ تولید مواد فوق‌خالص برای حذف نویزهای اتمی و تحول در پردازش‌های آینده

یکی از بزرگترین موانع رایانش کوانتومی نه پردازنده و نه نرم‌افزار، بلکه سیگنال‌های مغناطیسی ریزی است که از اتم‌های منفرد درون تراشه منتشر می‌شوند.

در فناوری‌های کوانتومی مبتنی بر سیلیکون و ژرمانیوم، نسخه‌های طبیعی این مواد حاوی ایزوتوپ‌هایی هستند که نویز اتمی تولید می‌کنند و باعث می‌شوند کیوبیت‌های شکننده اطلاعات خود را از دست بدهند.

کریستوفر لندرز، مدیر دفتر پژوهش و تولید ایزوتوپ وزارت انرژی آمریکا، در این باره گفته است: «سال‌هاست که وعده ابررایانه‌های کوانتومی توسط نویز میکروسکوپی جهان فیزیکی عقب نگه داشته شده است».

به گزارش ایتنا و به نقل از Interesting Engineering، اکنون دانشمندان روشی داخلی برای تولید مواد پیش‌ماده سیلیکون و ژرمانیوم فوق‌خالص توسعه داده‌اند که کمتر از یک قسمت در میلیون از ایزوتوپ‌های ایجادکننده نویز دارد و بیش از ۱۰۰ برابر خالص‌تر از گزینه‌های تجاری موجود در سراسر جهان است.

فرآیند آنها سیلیکون‑۲۸ را با خلوص ۹۹٫۹۹۹۹ درصد تولید می‌کند؛ نقطه عطفی که می‌تواند به کیوبیت‌ها کمک کند حالت‌های کوانتومی خود را برای مدت طولانی‌تری حفظ کنند و در عین حال زنجیره تأمین داخلی آمریکا را برای فناوری‌های کوانتومی آینده تقویت نماید.

برخلاف رایانه‌های متداول، رایانه‌های کوانتومی اطلاعات را در کیوبیت‌ها ذخیره می‌کنند که به شدت به محیط اطراف خود حساس هستند.

حتی اختلالات کوچک در سطح اتمی می‌تواند باعث شود کیوبیت حالت کوانتومی ظریف خود را از دست بدهد؛ فرآیندی که «ناهماهنگی» نامیده می‌شود. یکی از منابع مهم این اختلال، ایزوتوپ‌های طبیعی است.


سیلیکون موجود در طبیعت عمدتاً سیلیکون‑۲۸ است، اما حاوی مقدار کمی سیلیکون‑۲۹ نیز می‌باشد. به همین ترتیب، ژرمانیوم طبیعی حاوی چندین ایزوتوپ از جمله ژرمانیوم‑۷۳ است.

سیلیکون‑۲۹ و ژرمانیوم‑۷۳ بر خلاف همتایان مفیدتر خود، دارای اسپین هسته‌ای هستند؛ خاصیت مغناطیسی ریزی که مانند آهنرباهای میکروسکوپی متعددی در سراسر ماده پراکنده عمل می‌کند.

این هسته‌های اتمی در حال چرخش، پیوسته نوسانات مغناطیسی ضعیفی تولید می‌کنند که به تنهایی تقریباً ناچیز هستند، اما در کنار هم نویز زمینه‌ای کافی برای تداخل با کیوبیت‌های مجاور ایجاد می‌کنند.

پژوهشگران سال‌ها می‌دانستند که حذف این ایزوتوپ‌ها می‌تواند سخت‌افزار کوانتومی را به طور چشمگیری بهبود بخشد. برای نمونه، مطالعه‌ای در سال ۲۰۱۴ نشان داد که کیوبیت‌های اسپین سیلیکونی ساخته‌شده از سیلیکون‑۲۸ بسیار غنی‌شده، زمان هماهنگی بسیار طولانی‌تری نسبت به نمونه‌های ساخته‌شده از سیلیکون طبیعی داشتند و اهمیت مواد خالص‌سازی‌شده ایزوتوپی را برای رایانش کوانتومی تقویت کرد.

با این حال، تولید چنین مواد بسیار غنی‌شده از نظر فنی دشوار باقی مانده بود و آمریکا به توانایی‌های محدود غنی‌سازی داخلی و تأمین‌کنندگان خارجی متکی بود. به جای بازطراحی پردازنده‌های کوانتومی، آزمایشگاه‌های وزارت انرژی بر بهبود ماده خامی متمرکز شدند که آن پردازنده‌ها از آن ساخته می‌شوند.

پروژه کار را بین دو آزمایشگاه ملی تقسیم کرد. در آزمایشگاه اوک ریج، دانشمندان از نسخه پیشرفته جداسازی ایزوتوپ الکترومغناطیسی استفاده کردند؛ تکنیکی که اتم‌ها را بر اساس جرم آنها دسته‌بندی می‌کند. اگرچه مفهوم پایه به جداکننده‌های الکترومغناطیسی مورد استفاده در پروژه منهتن بازمی‌گردد، سیستم مدرن به طور گسترده بهینه‌سازی شده است.

فناوری ارتقاءیافته می‌تواند چندین ایزوتوپ را در یک مرحله تولید جدا کند و عملکرد غنی‌سازی را ارائه دهد که از سیستم‌های دوران جنگ سرد پیشی می‌گیرد.

با استفاده از مواد اولیه تجاری، اوک ریج تقریباً تمام سیلیکون‑۲۹ و ژرمانیوم‑۷۳ را حذف کرد و غلظت آنها را به زیر یک قسمت در میلیون رساند. سیلیکون‑۲۸ حاصل به خلوص ۹۹٫۹۹۹۹ درصد دست یافت، در حالی که محصولات ژرمانیوم حاوی کمتر از یک قسمت در میلیون ژرمانیوم‑۷۳ بودند.

سپس مواد غنی‌شده به آزمایشگاه شمال غربی اقیانوس آرام منتقل شدند و پژوهشگران با چالش جدیدی مواجه شدند. ایزوتوپ‌های بسیار خالص می‌توانند به راحتی در حین تبدیل به مواد شیمیایی صنعتی مورد استفاده در تولید تراشه، دوباره آلوده شوند.

گفتنی است این دستاورد موانع رایانش کوانتومی را یک‌شبه از بین نمی‌برد. پژوهشگران هنوز باید نشان دهند که مواد فوق‌خالص به طور مداوم دستگاه‌های کوانتومی تجاری را بهبود می‌بخشند و گسترش تولید به مقیاس صنعتی به سرمایه‌گذاری مستمر نیاز دارد.