جهش بزرگ در محاسبات کوانتومی با کیوبیت ابررسانای دانشگاه پرینستون

پژوهشگران دانشگاه پرینستون موفق شده‌اند یک کیوبیت ابررسانای جدید طراحی و تولید کنند که زمان همدوسی آن به‌طور قابل توجهی افزایش یافته است.

به گزارش سرویس فناوری تکناک،زمان همدوسی، شاخصی کلیدی در محاسبات کوانتومی است که نشان می‌دهد یک کیوبیت تا چه مدت می‌تواند اطلاعات کوانتومی را بدون از دست رفتن یا ایجاد خطا حفظ کند. بر اساس اعلام دانشگاه پرینستون، این کیوبیت جدید زمان همدوسی‌ای حدود ۱۵ برابر بهتر از کیوبیت‌های مورد استفادهٔ کنونی در پردازنده‌های کوانتومی شرکت‌هایی مانند گوگل و IBM دارد.

رایانه‌های کوانتومی به‌عنوان یکی از مهم‌ترین فناوری‌های نسل آیندهٔ محاسبات شناخته می‌شوند، زیرا این سامانه‌ها توانایی حل مسائلی را دارند که رایانه‌های کلاسیک از عهدهٔ آن‌ها برنمی‌آیند. با وجود سرمایه‌گذاری گستردهٔ شرکت‌های بزرگ فناوری برای تجاری‌سازی این حوزه، موانع فنی متعددی همچنان باقی مانده است. یکی از اصلی‌ترین این موانع، پایداری و طول عمر کیوبیت‌ها در حین انجام محاسبات پیچیده است.

بخوانید: پیشتازی هاروارد در محاسبات کوانتومی با سامانه ۴۴۸ کیوبیتی

زمانی که یک کیوبیت همدوسی خود را از دست می‌دهد، دیگر قادر به نگهداری اطلاعات کوانتومی نیست و این موضوع می‌تواند زنجیره‌ای از خطاها را در کل سامانه ایجاد کند. به همین دلیل، افزایش زمان همدوسی کیوبیت‌ها یکی از اهداف اصلی پژوهش‌های محاسبات کوانتومی در سال‌های اخیر بوده است.

کیوبیت جدید پرینستون بر پایهٔ فناوری «ترانسمون» ساخته شده است. کیوبیت‌های ترانسمون به دلیل مقاومت نسبی در برابر نویز و همچنین سهولت ساخت، به‌طور گسترده در پژوهش‌های کوانتومی استفاده می‌شوند و شرکت‌هایی مانند گوگل و IBM نیز همین نوع کیوبیت را در پردازنده‌های خود به کار می‌گیرند. با این حال، بهبود زمان همدوسی این نوع کیوبیت‌ها همواره چالشی جدی محسوب می‌شده است.

پژوهشگران پرینستون به رهبری ناتالی دِ لئون و اندرو هوک به این نتیجه رسیدند که یکی از عوامل کلیدی محدودکننده، کیفیت مواد مورد استفاده در ساخت کیوبیت‌ها است. آن‌ها با همکاری رابرت کاوا، شیمی‌دان دانشگاه، تصمیم گرفتند از عنصر تانتالوم در ساخت مدار کوانتومی استفاده کنند. تانتالوم به دلیل مقاومت بالا در برابر آلودگی و تحمل فرایندهای سخت پاک‌سازی، گزینه‌ای مناسب برای این کاربرد تشخیص داده شد.

پیشنهادی: کمک مدل هوش مصنوعی GPT-5 به حل یکی از مسائل پیچیده محاسبات کوانتومی

در مرحلهٔ نخست، مدار کوانتومی روی بستر یاقوتی ساخته شد و نتایج اولیه افزایش زمان همدوسی را نشان داد. با این حال، پژوهشگران متوجه شدند که بستر یاقوتی موجب اتلاف انرژی بیشتری می‌شود. به همین دلیل، آن‌ها بستر را با سیلیکون باکیفیت بالا جایگزین کردند؛ ماده‌ای که به‌طور گسترده در صنعت نیمه‌هادی و ساخت تراشه‌های مدرن استفاده می‌شود. ساخت کیوبیت روی بستر سیلیکونی از نظر فنی بسیار دشوار بود، اما تیم پژوهشی در نهایت موفق شد این چالش را پشت سر بگذارد.

نتیجهٔ نهایی، تولید یک کیوبیت ترانسمون با زمان همدوسی بی‌سابقه بود. اندرو هوک اعلام کرده است که اگر این کیوبیت به‌سادگی در بهترین پردازندهٔ کوانتومی فعلی گوگل با نام Willow جایگزین شود، عملکرد کلی سامانه می‌تواند تا ۱٬۰۰۰ برابر افزایش یابد. او همچنین تأکید می‌کند که هرچه تعداد کیوبیت‌ها در یک سامانه بیشتر شود، مزایای این فناوری به‌صورت تصاعدی افزایش خواهد یافت.

بخوانید: استاندارد جدیدی برای محاسبات کوانتومی ایجاد شد

بر اساس برآوردهای ارائه‌شده، یک رایانهٔ کوانتومی فرضی با ۱٬۰۰۰ کیوبیت از این نوع می‌تواند حدود یک میلیارد برابر بهتر از بهترین رایانه‌های کوانتومی امروزی عمل کند. ناتالی دِ لئون نیز اعلام کرده است که شناسایی مراحل حیاتی و ویژگی‌های بنیادی این دستاورد، مسیر را برای پذیرش گستردهٔ این فناوری در پردازنده‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر هموار می‌کند.

نتایج این پژوهش در مجلهٔ علمی Nature منتشر شده است.