24 سپتامبر 2024-محاسبات کوانتومی-© Shutterstock/Pete Hansen
پیشرفت های نظری در فیزیک کوانتومی راه را برای عصر جدیدی از محاسبات هموار می کند. یکی از امیدوارکننده‌ترین مفاهیم، «کامپیوتر کوانتومی توپولوژیکی» است.
اگرچه هنوز نظری است، اما کامپیوترهای کوانتومی توپولوژیکی می توانند از نظر پایداری و قدرت از ماشین های کوانتومی موجود پیشی بگیرند و زمینه هایی مانند رمزنگاری، علم مواد و هوش مصنوعی را متحول کنند.
کلید باز کردن این پتانسیل در توسعه کیوبیت‌های خاص (بیت‌های کوانتومی) نهفته است که هنوز به طور کامل محقق نشده‌اند. با این حال، تحقیقات اخیر یک پیشرفت امیدوارکننده را ارائه می دهد.
کیوبیت ها اجزای سازنده کامپیوترهای کوانتومی هستند. در حالی که رایانه‌های معمولی از بیت‌هایی استفاده می‌کنند که به صورت 0 یا 1 نشان داده می‌شوند، کیوبیت‌ها می‌توانند به‌دلیل اصول برهم نهی کوانتومی در چندین حالت به طور همزمان وجود داشته باشند.
برای اینکه کامپیوترهای کوانتومی توپولوژیکی کار کنند، به نوع منحصر به فردی از کیوبیت نیاز دارند. این «کیوبیت‌های توپولوژیکی» پایداری بالاتری نسبت به کیوبیت‌های معمولی ارائه می‌کنند، و آنها را کمتر مستعد خطاهای ناشی از اختلالات محیطی می‌کند.
چالش پیدا کردن ماده یا سیستمی است که بتواند این کیوبیت های توپولوژیکی را به طور قابل اعتماد تولید کند.
اکتشافات اخیر تیمی از محققان به رهبری پروفسور اندرو میچل در کالج دانشگاهی دوبلین و دکتر سودشنا سن در انستیتوی فناوری هند در دنباد، بینش جدیدی را ارائه می دهد.
کار آنها بر روی خواص کوانتومی مدارهای الکترونیکی در مقیاس نانو متمرکز است و امکان ایجاد کیوبیت‌های توپولوژیکی را از طریق مکانیزم غیرمنتظره – تقسیم الکترون‌ها – باز کرده است.همانطور که می دانیم ماده از اتم ها تشکیل شده است و در درون آن اتم ها الکترون ها وجود دارند که ذرات بنیادی تقسیم ناپذیر در نظر گرفته می شوند.
با این حال، مکانیک کوانتومی نشان می‌دهد که تحت شرایط خاص، الکترون‌ها می‌توانند طوری رفتار کنند که انگار شکافته شده‌اند. این الکترون‌های تقسیم‌شده به‌طور بالقوه می‌توانند به‌عنوان کیوبیت‌های توپولوژیکی عمل کنند و گامی حیاتی به سوی تحقق دیدگاه رایانه‌های کوانتومی توپولوژیکی ارائه کنند.
در تحقیقات جدید منتشر شده، این تیم نشان می دهد که چگونه الکترون ها، زمانی که در مدارهای مقیاس نانو محصور می شوند، می توانند با یکدیگر تداخل کنند.
این تداخل می تواند منجر به پدیده هایی شود که در آن رفتار الکترون ها تقلید از تقسیم یک الکترون به دو بخش است. این اتفاق عجیب به یک ذره نظری معروف به فرمیون Majorana مرتبط است که اولین بار در سال 1937 مطرح شد.
فرمیون های مایورانا مدت هاست که مورد توجه فیزیکدانان بوده است. ویژگی‌های منحصر به فرد آنها آنها را به یک کاندیدای ایده‌آل برای ایجاد کیوبیت‌های پایدار تبدیل می‌کند.این تحقیق نشان می دهد که این ذرات ممکن است در دستگاه های نانوالکترونیکی با مهار اثرات تداخل کوانتومی قابل تولید باشند.
توانایی کنترل و دستکاری فرمیون های Majorana در مدارهای الکترونیکی می تواند یک تغییر بازی برای کامپیوترهای کوانتومی توپولوژیکی باشد.
پروفسور میچل توضیح داد: «در چند سال گذشته جستجوی زیادی برای Majoranas صورت گرفته است، زیرا آنها یک عنصر کلیدی برای کامپیوترهای کوانتومی توپولوژیکی پیشنهادی هستند.ما ممکن است راهی برای تولید آنها در دستگاه‌های نانوالکترونیکی با استفاده از اثر تداخل کوانتومی پیدا کرده باشیم.»
هسته اصلی این کشف تداخل کوانتومی است، پدیده‌ای که با «آزمایش دو شکاف» به خوبی نشان داده شده است.در این آزمایش، تک تک ذرات مانند الکترون ها از طریق دو شکاف شلیک می شوند و یک الگوی تداخلی ایجاد می کنند که گویی هر ذره به طور همزمان از هر دو شکاف عبور می کند.
به طور مشابه، در مدارهای مقیاس نانو، الکترون ها را می توان برای طی کردن مسیرهای متعدد دستکاری کرد که منجر به الگوهای تداخلی می شود که جریان جریان را مسدود یا اجازه می دهد. این اصل در ایجاد کیوبیت های مورد نیاز برای کامپیوترهای کوانتومی توپولوژیکی ضروری است.
پروفسور میچل گفت: «این همان چیزی است که در یک مدار نانوالکترونیکی اتفاق می‌افتد». از تداخل کوانتومی می توان برای تولید انواع کیوبیت هایی که برای کامپیوترهای کوانتومی قدرتمندتر نیاز داریم استفاده کرد.
در حالی که کامپیوترهای کوانتومی توپولوژیکی نظری باقی می مانند، این کشف اخیر ما را یک قدم به تحقق پتانسیل آنها نزدیکتر می کند.
توانایی دستکاری ذرات کوانتومی مانند فرمیون های Majorana می تواند قدرت محاسباتی بی سابقه ای را باز کند. با ادامه تحقیقات، چشم انداز یک کامپیوتر کوانتومی توپولوژیکی پایدار و مقاوم در برابر خطا ممکن است به زودی به واقعیت تبدیل شود.
