دستیابی به خالص‌ترین شکل سیلیکون؛ توسعه تراشه کوانتومی با 1 میلیون کیوبیت ممکن می‌شود

محققان توانستند به خالص‌ترین حالت سیلیکون برای ساخت کیوبیت‌ها دست یابند. این سیلیکون خالص می‌تواند با مزایای خود نسبت به دیگر عناصر، توسعه تراشه و کامپیوترهای کوانتومی با یک میلیون کیوبیت را ممکن کند.

براساس گزارش Live Science و مقاله منتشرشده در نیچر، محققان دانشگاه منچستر انگلستان به شکل جدید و فوق‌العاده خالص سیلیکون (ماده نیمه‌رسانا مورد استفاده در کامپیوترهای معمولی) به‌عنوان مبنایی برای ساخت کیوبیت در کامپیوترهای کوانتومی دست یافتند که بسیار کارآمدتر از فناوری‌های موجود است.

توسعه کامپیوترهای کوانتومی با سیلیکون خالص

درحالی که بیت‌ها در کامپیوترهای معمولی به صورت «0 و 1» رمزگذاری می‌شوند، کیوبیت‌ها در کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند برهم‌نهی این دو حالت باشند، به این معنی که دارای یک قابلیت کوانتومی موسوم به «همدوسی» (Coherence) هستند و می‌توانند 0 و 1 را به صورت موازی پردازش کنند.

به‌گفته دانشمندان، کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند حتی قدرتمندتر از سریع‌ترین ابرکامپیوترهای فعلی جهان باشند، اما برای رسیدن به این هدف به حدود یک میلیون کیوبیت نیاز دارند. بزرگ‌ترین کامپیوتر کوانتومی امروزی تقریباً 1000 کیوبیت دارد.

مسئله کلیدی در محاسبات کوانتومی این است که کیوبیت‌ها «نویزدار» هستند، به این معنی که به‌شدت مستعد اختلال‌هایی مانند تغییرات دما هستند و باید تا حدود صفر مطلق خنک شوند. این بدان معناست که حتی اگر ما یک کامپیوتر کوانتومی با میلیون‌ها کیوبیت داشته باشیم، بسیار ناکارآمد خواهد بود.

کیوبیت‌ها معمولاً از فلزات ابررسانا مانند تانتالم و نیوبیم ساخته می‌شوند زیرا دارای رسانایی و مقاومت تقریباً بی‌نهایتی هستند. اکنون به‌گفته محققان، ساخت کیوبیت‌ها از مواد نیمه‌رسانا مانند سیلیکون، گالیم یا ژرمانیم نسبت به کیوبیت‌های فلزی ابررسانا بهتر است. برای مثال ساخت آن‌ها ارزان است، در دماهای بالاتر کار می‌کنند و بسیار کوچک هستند.

در مطالعه جدید، دانشمندان پس از پاک‌کردن ناخالصی‌های موجود در سیلیکون طبیعی، یک کیوبیت از سیلیکون 28 (Si-28) ساختند که آن را «خالص‌ترین سیلیکون جهان» توصیف می‌کنند.

سیلیکون طبیعی معمولاً از سه ایزوتوپ یا اتم‌هایی با جرم‌های مختلف Si-28 ،Si-29 و Si-30 تشکیل شده است. سیلیکون طبیعی به‌دلیل خواص متالوئیدی خود در محاسبات معمولی به‌خوبی کار می‌کند، اما هنگام استفاده از آن در محاسبات کوانتومی باعث مشکلاتی می‌شود. در پژوهش حاضر، دانشمندان با توسعه روشی جدید، توانستند سیلیکون 28 را از اتم‌های Si-29 و Si-30 که باعث اختلال می‌شوند، جدا کنند.

نویسنده ارشد این پژوهش درباره دستاورد تیم محققان می‌گوید:

«کاری که ما توانسته‌ایم انجام دهیم این است که یک «آجر» حیاتی برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی مبتنی بر سیلیکون ایجاد کردیم. این یک گام مهم برای رسیدن به فناوری است که پتانسیل متحول‌کردن [زندگی] بشر را دارد.»