پژوهشگران مؤسسه فناوری کالیفرنیا (Caltech) موفق به توسعه یک حافظه هیبریدی کوانتومی شده‌اند که می‌تواند داده‌های حاصل از کیوبیت‌های ابررسانا را به صورت صدا ذخیره‌سازی کند.
به گزارش تکناک، این روش نوآورانه، زمان نگه‌داری داده‌های کوانتومی را تا ۳۰ برابر افزایش می‌دهد و گامی مهم در مسیر تحقق حافظه‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر به حساب می‌آید.
این فناوری با تبدیل سیگنال‌های الکتریکی کوانتومی به ارتعاشات صوتی به کمک یک نوسانگر مکانیکی مبتنی بر تراشه – مشابه یک دیاپازون میکروسکوپی – عمل می‌کند. ارتعاشات مکانیکی انرژی خود را آهسته‌تر از دست می‌دهند و کمتر دچار تداخل می‌شوند؛ عاملی که باعث افزایش پایداری ذخیره‌سازی و فراهم شدن زمینه‌ای برای طراحی دستگاه‌های کوچک و مقیاس‌پذیر می‌شود.
کیوبیت‌های ابررسانا در پردازش اطلاعات کوانتومی در حوزه امواج مایکروویو بسیار توانمند هستند، اما مشکل اصلی آنها زمان همدوسی کوتاه است، که توانایی ذخیره‌سازی را محدود می‌کند. به همین دلیل، محققان در جست‌وجوی حافظه‌های کوانتومی بوده‌اند؛ ابزارهایی که بتوانند حالت‌های کوانتومی را برای مدت طولانی حفظ کنند.
پژوهشگران Caltech نشان داده‌اند که تبدیل اطلاعات الکتریکی کیوبیت‌ها به امواج صوتی می‌تواند ذخیره‌سازی را به‌طور چشمگیری افزایش دهد. در رایانش سنتی، بیت‌ها (۰ و ۱) برای ذخیره‌سازی داده به‌کار می‌روند، در حالی که کیوبیت‌ها در رایانش کوانتومی می‌توانند هم‌زمان در برهم‌نهی هر دو حالت وجود داشته باشند. این ویژگی، رایانش کوانتومی را قادر می‌سازد مسائلی را حل کند که فراتر از توانایی رایانه‌های کلاسیک است.
مدارهای ابررسانا، که در دماهای بسیار پایین، الکترون‌ها را آزادانه هدایت می‌کنند و کیوبیت‌ها را شکل می‌دهند، اساس بسیاری از سامانه‌های کوانتومی کنونی هستند. این مدارها در انجام محاسبات کارایی دارند، اما برای ذخیره‌سازی طولانی‌مدت مناسب نیستند. تیم Caltech با اتصال کیوبیت‌ها به نوسانگرهای مکانیکی بسیار کوچک که در فرکانس‌های گیگاهرتز ارتعاش می‌کنند، توانست حالت‌های کوانتومی را تا ۳۰ برابر طولانی‌تر از روش‌های رایج حفظ کند. این دستاورد گامی مهم به سوی حافظه‌های کوانتومی کاربردی و مقیاس‌پذیر محسوب می‌شود.
محمد میرحسینی، استادیار مهندسی برق و فیزیک کاربردی در Caltech، در توضیح اهمیت این دستاورد گفت:
«زمانی که یک حالت کوانتومی ایجاد می‌کنید، ممکن است نخواهید به سرعت از آن استفاده کنید. شما نیاز دارید راهی وجود داشته باشد تا در زمان دلخواه به آن بازگردید و عملیات منطقی انجام دهید. برای این منظور به حافظه کوانتومی نیاز است.»
این تیم تحقیقاتی پیش‌تر نشان داده بود که فونون‌ها – کوانتای صدا – می‌توانند محیطی کارآمد برای ذخیره‌سازی داده‌های کوانتومی باشند. این ذرات ارتعاشی در همان فرکانس‌های گیگاهرتز عمل می‌کنند، که کیوبیت‌های ابررسانا کار می‌کنند و در دماهای بسیار پایین لازم برای نگه‌داری حالت‌های کوانتومی نیز پایدار هستند. طول عمر زیاد آنها سبب شده است که گزینه‌ای ایدئال برای استفاده در حافظه کوانتومی باشند.
بر پایه همین یافته‌ها، پژوهشگران یک کیوبیت ابررسانا را روی تراشه ساختند و آن را به یک نوسانگر مکانیکی کوچک، مشابه دیاپازون در مقیاس نانو، متصل کردند. زمانی که امواج صوتی صفحات انعطاف‌پذیر این نوسانگر را تحریک می‌کنند، این صفحات در فرکانس‌های گیگاهرتز به ارتعاش درمی‌آیند. این صفحات با اعمال بار الکتریکی می‌توانند با سیگنال‌های الکتریکی کوانتومی برهم‌کنش کنند و داده‌های کوانتومی را به‌صورت ارتعاشات مکانیکی ذخیره‌سازی و بازیابی نمایند.
اندازه‌گیری‌ها نشان داد که نوسانگرهای مکانیکی توانستند حالت‌های کوانتومی را تا ۳۰ برابر طولانی‌تر از کیوبیت‌های ابررسانا حفظ کنند. این روش چندین مزیت عمده دارد: امواج صوتی به دلیل سرعت کمتر، امکان طراحی دستگاه‌های فشرده‌تر را فراهم می‌کنند و ارتعاشات مکانیکی برخلاف امواج الکترومغناطیسی به فضای آزاد تابش نمی‌کنند و به همین دلیل اتلاف انرژی و تداخل به‌شدت کاهش می‌یابد.
این ویژگی‌ها نشان می‌دهد که می‌توان تعداد زیادی نوسانگر را روی یک تراشه یکپارچه کرد و حافظه‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر طراحی نمود.
به گفته پژوهشگران، هرچند نرخ برهم‌کنش کنونی باید سه تا ده برابر افزایش یابد تا استفاده عملی امکان‌پذیر شود، اما راهبردهایی برای دستیابی به این هدف در دست بررسی است. آنها معتقد هستند که این فناوری می‌تواند در آینده برای ذخیره‌سازی، رایانش کوانتومی، سنجش و انتقال داده‌های کوانتومی نقشی اساسی ایفا کند.
در جمع‌بندی مقاله این گروه آمده است:
«این یافته‌ها نشان می‌دهد که نوسانگرهای مکانیکی می‌توانند به‌عنوان حافظه‌های کوانتومی برای دستگاه‌های ابررسانا عمل کنند و در آینده به‌کارگیری آنها در رایانش کوانتومی، حسگرهای دقیق و انتقال داده‌های کوانتومی امکان‌پذیر خواهد شد.»
این پیشرفت در حالی به دست آمده است که در آوریل ۲۰۲۵، گروهی از دانشمندان دانشگاه‌های بریتانیا و اروپا توانستند نخستین ذخیره‌سازی و بازیابی داده‌های کوانتومی را در سطح جهانی به انجام برسانند؛ رویدادی که به عنوان نقطه عطفی در مسیر توسعه اینترنت کوانتومی آینده شناخته می‌شود.
