در دنیای پرشتاب پیشرفتهای علمی، جایی که همواره نور به عنوان حامل اصلی اطلاعات در رایانش کوانتومی شناخته میشد، اکنون صدایی تازه به گوش میرسد.
محققان دانشگاه شیکاگو در مدرسه مهندسی مولکولی پریتزکر (UChicago PME) در مقالهای که بهتازگی در مجله Nature Physics منتشر کردهاند، نشان دادهاند که ارتعاشات مکانیکی بسیار کوچک، موسوم به «فونون» – که در مقیاس بزرگتر همان «صدا» هستند – میتوانند جایگزینی تعیینکننده برای فوتونها (ذرات نور) باشند. این دستاورد، که توسط آزمایشگاه تجربی کلیلند و گروه نظری جیانگ هدایت شده، امکان «کنترل فاز تعیینکننده» فونونها را فراهم میکند و عنصر تصادفی بودن ذاتی سامانههای مبتنی بر فوتون را حذف میسازد. چنین پیشرفتی میتواند آینده رایانش کوانتومی را دگرگون کند؛ جایی که پیشبینیپذیری به اندازه سرعت اهمیت دارد.
این داستان از آزمایشگاهی در شیکاگو آغاز شد؛ جایی که هونگ کیائو، پژوهشگر پسادکتری و نویسنده اول مقاله، همراه با پروفسور اندرو کلیلند و پروفسور لیانگ جیانگ موفق شدند فونون را با یک «کیوبیت ابررسانا» – معادل کوانتومی بیت در رایانههای کلاسیک – برهمکنش دهند. آنها با واسطهگری یک تعامل الکتریکی، فاز فونون را به شکل کاملاً تعیینکننده کنترل کردند. نتیجه: ارسال دادههای مبتنی بر فونون بدون تصادفی بودن همیشگی سامانههای فوتونی.
چه اتفاقی افتاد؟
در این پژوهش، تیم تحقیقاتی با استفاده از یک پلتفرم هیبریدی، فونونها را به کیوبیت متصل کردند و نشان دادند که میتوان فاز آنها را بدون احتمال شکست کنترل کرد. برخلاف سیستمهای فوتونی که همیشه عنصری از احتمال در آنها وجود دارد – یعنی اگر عمل A انجام شود، ممکن است خروجی B یا C باشد – فونونها رفتار علت و معلولی و قطعی از خود نشان دادند.
کیائو توضیح میدهد: «داشتن عملیات کوانتومی تعیینکننده، این پلتفرم هیبریدی را نسبت به رویکردهای صرفاً نوری در جایگاه برتری قرار میدهد.»
چرا این مهم است؟
سامانههای کوانتومی کنونی اغلب با مشکل تصادفی بودن نتایج مواجهاند. در سیستمهای احتمالی، حتی اگر همه چیز درست عمل کند، همیشه درصدی از شکست وجود دارد؛ یعنی تنها پس از اندازهگیری میتوان فهمید عملیات موفق بوده یا نه.
اما فونونها ویژگی متفاوتی دارند. آنها ارتعاشات مکانیکیاند که در صورت ایزوله بودن، به بیرون «نشت» نمیکنند و کاهش نمییابند. یکی از نویسندگان مقاله، وانگ، میگوید: «فونونها اگر در رزوناتورهای ایزوله قرار گیرند، برخلاف فوتونها به خلأ نشت نمیکنند و در اصل واپاشی ندارند.» این ویژگی میتواند به سامانههایی منجر شود که همزمان سریع و قدرتمند مانند بهترین رایانههای کوانتومی و در عین حال به اندازه یک لپتاپ معمولی قابل پیشبینی باشند.
تصویر بزرگتر
در رقابت جهانی برای ساخت رایانههای کوانتومی، فوتونها همواره پیشتاز بودهاند، اما مشکلاتی مانند نشت و تصادفی بودن مانع از مقیاسپذیری آنها شده است. اکنون صدا وارد میدان شده؛ نهتنها این موانع را دور میزند، بلکه امکان عمر طولانیتر را هم فراهم میکند. فوتونها به سرعت از میان میروند، اما فونونها در شرایط ایزوله میتوانند تا چند ثانیه دوام آورند.
این دستاورد بخشی از روندی گستردهتر است: گذار از سامانههای نوری به مکانیکی در فناوری کوانتوم. آیندهای متصور است که در آن رایانههای کوانتومی کوچکتر، کارآمدتر و قابل اعتمادتر – همگی بر پایه چیپهای حالتجامد – به کار گرفته شوند.
چالشها و گامهای بعدی
با وجود این، مشکلات مهمی همچنان پابرجاست. عمر کنونی فونونها در حد میکروثانیه است، زیرا اتصال به کیوبیت – که امکان کنترل را میدهد – همانند خاموشکردن زنگولهای است که در حال لرزش است. این اتصال ارتعاش را کوتاه میکند.
کیائو میگوید: «میخواهیم عمر فونونها را دستکم صد برابر افزایش دهیم تا برای وظایف محاسباتی مفید باشند.» هرچند جاهطلبانه است، اما از نظر نظری امکانپذیر است. در حال حاضر این محدودیت، مقیاسپذیری را به حدود ده فونون محدود میکند.
ما هنوز تا رسیدن به ابزارهای رایانش کوانتومی که قابلیت استفاده روزمره داشته باشند فاصله داریم اما این مسیری است که میتواند با به نتیجه رسیدن چشم انداز آینده ما را به طور کامل زیر و رو کند.
