ساخت سیلیکون فوق خالص ۹۹.۹۹۹۹ درصدی برای نسل جدید کامپیوترهای کوانتومی

01

از 03

چرا ایزوتوپ‌های طبیعی برای کامپیوترهای کوانتومی مشکل ایجاد می‌کنند؟

کامپیوترهای معمولی اطلاعات را با بیت‌هایی ذخیره می‌کنند که تنها دو حالت صفر یا یک دارند. در مقابل، کامپیوترهای کوانتومی از کیوبیت استفاده می‌کنند. کیوبیت می‌تواند هم‌زمان در چندین حالت قرار بگیرد و به همین دلیل توان پردازشی بسیار بالاتری نسبت به کامپیوترهای متداول دارد.

با وجود این، همین ویژگی باعث می‌شود کیوبیت‌ها نسبت به کوچک‌ترین اختلال محیطی نیز بسیار حساس باشند. هر تغییر بسیار کوچک در میدان مغناطیسی اطراف آنها می‌تواند حالت کوانتومی را از بین ببرد. این پدیده در فیزیک با عنوان «واپاشی همدوسی» یا Decoherence شناخته می‌شود و یکی از مهم‌ترین موانع ساخت کامپیوترهای کوانتومی تجاری است.

سیلیکون طبیعی عمدتاً از ایزوتوپ سیلیکون-۲۸ تشکیل شده است، اما مقدار اندکی سیلیکون-۲۹ نیز در آن وجود دارد. ژرمانیوم طبیعی نیز علاوه بر ایزوتوپ‌های پایدار دیگر، ژرمانیوم-۷۳ را در خود دارد.

مشکل این دو ایزوتوپ آن است که دارای اسپین هسته‌ای هستند. این ویژگی باعث می‌شود هر اتم مانند یک آهنربای بسیار کوچک عمل کند. میلیون‌ها اتم دارای اسپین در کنار یکدیگر، میدان‌های مغناطیسی بسیار ضعیفی تولید می‌کنند که در مجموع به نویز پس‌زمینه تبدیل می‌شود و عملکرد کیوبیت‌های مجاور را مختل می‌کند.

پژوهشگران سال‌ها است می‌دانند حذف این ایزوتوپ‌ها می‌تواند عملکرد سخت‌افزارهای کوانتومی را به شکل چشمگیری افزایش دهد. مطالعه‌ای که در سال ۲۰۱۴ منتشر شد نیز نشان داد کیوبیت‌های ساخته‌شده از سیلیکون-۲۸ غنی‌شده، زمان همدوسی بسیار طولانی‌تری نسبت به نمونه‌های ساخته‌شده از سیلیکون طبیعی دارند.

با وجود این، تولید چنین موادی تاکنون بسیار دشوار و پرهزینه بوده است و آمریکا نیز برای تأمین آنها تا حد زیادی به منابع محدود داخلی و تأمین‌کنندگان خارجی وابسته بود.

مرتبط: دانشمندان آلمان سریع‌ترین تراشه سیلیکون-ژرمانیوم جهان را ساختند

02

از 03

تولید سیلیکون فوق خالص از مرحله جداسازی اتم‌ها

پژوهشگران به جای تغییر معماری پردازنده‌های کوانتومی، تصمیم گرفتند کیفیت ماده اولیه را افزایش دهند. برای اجرای این پروژه، مسئولیت تولید میان دو آزمایشگاه ملی تقسیم شد.

پژوهشگران در آزمایشگاه ORNL از فناوری جداسازی ایزوتوپی الکترومغناطیسی یا EMIS استفاده کردند. این فناوری اتم‌ها را بر اساس جرم آنها از یکدیگر جدا می‌کند. اگرچه اصول اولیه این روش به سامانه‌های مورد استفاده در پروژه منهتن بازمی‌گردد، نسخه جدید آن به‌ طور کامل بهینه‌سازی شده است.

سامانه جدید می‌تواند چندین ایزوتوپ را در یک مرحله تولید جداسازی کند و عملکردی بسیار بهتر از تجهیزات دوران جنگ سرد ارائه دهد. پژوهشگران با استفاده از مواد اولیه تجاری موفق شدند تقریباً تمام سیلیکون-۲۹ و ژرمانیوم-۷۳ را حذف کنند و غلظت آنها را به کمتر از یک بخش در یک میلیون برسانند.

در پایان این مرحله، سیلیکون-۲۸ خالص ۹۹.۹۹۹۹ درصدی و ژرمانیومی با کمتر از یک بخش در یک میلیون ژرمانیوم-۷۳ تولید شد. سپس این مواد به آزمایشگاه PNNL منتقل شدند تا به مواد اولیه قابل استفاده در صنعت نیمه‌رسانا تبدیل شوند.

مایک پاول، پژوهشگر اصلی این پروژه در PNNL توضیح داد که یکی از مهم‌ترین مشکلات، جلوگیری از آلودگی دوباره ایزوتوپ‌های خالص در مراحل تبدیل شیمیایی است. او گفت که رقیق شدن ایزوتوپی یکی از دشوارترین چالش‌های این حوزه محسوب می‌شود.

پژوهشگران برای رفع این مشکل، سامانه‌های جدید تبدیل و خالص‌سازی شیمیایی طراحی کردند تا سیلیکون و ژرمانیوم غنی‌شده را به گازهای فوق خالص سیلان (SiH₄) و ژرمان (GeH₄) تبدیل کنند. این دو گاز مواد اولیه اصلی صنعت نیمه‌رسانا برای ایجاد لایه‌های بسیار نازک سیلیکون و ژرمانیوم روی تراشه‌های پیشرفته هستند.

علاوه بر این، پژوهشگران فناوری جداسازی ایزوتوپی با نفوذ حرارتی یا TDIS را نیز ارتقا دادند تا خود گازها نیز به صورت مستقیم غنی‌سازی شوند. این مرحله احتمال رقیق شدن ایزوتوپی را در فرایند تولید به حداقل می‌رساند.

از آنجا که سیلان و ژرمان گازهای خطرناکی هستند، پژوهشگران سامانه‌های کنترل خودکاری طراحی کردند که صدها پارامتر عملیاتی را به‌ صورت پیوسته پایش می‌کنند. این سامانه‌ها هم ایمنی تولید را تضمین می‌نمایند و هم خلوص شیمیایی مواد را در بالاترین سطح حفظ می‌کنند.

مرتبط: پژوهشگران به میلیون‌ها اتصال فوق‌رسانا در نیمه‌هادی ژرمانیوم دست یافتند

03

از 03

تقویت زنجیره تأمین کوانتومی آمریکا

اهمیت این پروژه تنها به تولید مواد فوق‌خالص محدود نمی‌شود. آمریکا پس از کنار گذاشتن کالوترون‌های تاریخی خود در سال ۱۹۹۸، بخش مهمی از توانمندی داخلی در حوزه غنی‌سازی ایزوتوپ‌ها را از دست داده بود.

اکنون زنجیره تولید جدید، توانایی غنی‌سازی ایزوتوپی ORNL را با فناوری‌های تبدیل شیمیایی، خالص‌سازی و غنی‌سازی مستقیم گازها در PNNL ترکیب کرده است. نتیجه این همکاری، ایجاد یک منبع داخلی برای تولید مواد نیمه‌رسانای مورد نیاز فناوری‌های کوانتومی آینده است.

این فناوری تنها به سیلیکون و ژرمانیوم محدود نمی‌شود. همین روش‌ها امکان تولید ایزوتوپ‌های مهم دیگری مانند ژرمانیوم-۷۰، ژرمانیوم-۷۶ و ایتربیوم-۱۷۱ را نیز فراهم می‌کنند؛ موادی که در معماری‌های مختلف کامپیوترهای کوانتومی کاربرد دارند.

کریستوفر لندرز اعلام کرد که ترکیب توانمندی‌های دو آزمایشگاه ملی این امکان را فراهم کرده است که ایزوتوپ‌ها و مواد شیمیایی با خلوصی بی‌سابقه و در قالب‌های مورد نیاز پژوهش‌های کوانتومی تولید شوند.

البته پژوهشگران تأکید کردند که این دستاورد به معنای رفع فوری همه مشکلات کامپیوترهای کوانتومی نیست. آنها هنوز باید نشان دهند این مواد فوق‌خالص در دستگاه‌های تجاری نیز به‌ طور پایدار عملکرد کیوبیت‌ها را بهبود می‌دهند. همچنین افزایش ظرفیت تولید برای پاسخ‌گویی به نیاز صنعت به سرمایه‌گذاری‌های بیشتری نیاز خواهد داشت.

وزارت انرژی آمریکا اعلام کرده است که مراحل بعدی این پروژه بر ساده‌سازی فرایند تولید، کاهش احتمال آلودگی مواد و افزایش ظرفیت تولید متمرکز خواهد بود. این اقدامات می‌تواند علاوه بر توسعه کامپیوترهای کوانتومی، جایگاه آمریکا را در زنجیره تأمین جهانی نیمه‌رساناها نیز تقویت کند.