اول مه ۲۰۲۵-تراشه‌های کوانتومی-© shutterstock/HAKINMHAN
تحقیقات مواد کوانتومی در لوکزامبورگ قرار است تراشه‌های کوانتومی را توسعه دهد که ممکن است اینترنت کوانتومی و رایانه‌های کوانتومی را متحول کند.
فلوریان کایزر، رئیس گروه تحقیقاتی مواد کوانتومی در لوکزامبورگ، یک استراتژی تحقیقاتی اختصاصی را برای تراشه‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر مبتنی بر فناوری نیمه‌رسانای استاندارد بررسی کرده است. این برنامه بلندپروازانه، توسعه یک «سیستم روی تراشه کوانتومی» را هدف قرار می‌دهد که می‌تواند عملکرد را افزایش دهد و در عین حال امکان تولید مقرون‌به‌صرفه در کارخانه‌های ریخته‌گری نیمه‌رسانا را فراهم کند.
با مهار و کنترل خواص پیچیده مکانیک کوانتومی، می‌توان فناوری‌های دیجیتال جدیدی را با پتانسیلی بسیار فراتر از استانداردهای امروزی آزاد کرد.
رایانه‌های کوانتومی می‌توانند مسائل ریاضی پیچیده‌ای را که توسط ماشین‌های کلاسیک قابل حل نیستند، حل کنند. شبیه‌سازهای کوانتومی می‌توانند به ما در کشف مواد هوشمند و کارآمد جدید برای ایجاد یک جامعه پایدار کمک کنند. حسگرهای کوانتومی می‌توانند به حساسیت بی‌نظیری برای تحقیقات در کوچکترین مقیاس نانو MRI تا بزرگترین مقیاس (تشخیص موج گرانشی) دست یابند. و ارتباطات کوانتومی می‌تواند یک اینترنت کاملاً امن، از جمله خدمات در ابر کوانتومی را ممکن سازد.
به طور اساسی، همه این ارکان فناوری کوانتومی پتانسیل و قابلیت‌های خود را نشان داده‌اند. روزانه پیشرفت‌های جدیدی در سطوح دانشگاهی و استارتاپی گزارش می‌شود.دو مورد از بزرگترین موانع برای انتقال فناوری‌های کوانتومی به بازار عبارتند از:
- افزایش تعداد کیوبیت‌ها، به ویژه ترکیب کیوبیت‌هایی که در وظایف پردازش کوانتومی از حد مجاز فراتر می‌روند با حافظه‌های کوانتومی عالی.
- کاهش هزینه سیستم‌های کوانتومی با استفاده از مواد غیر عجیب و غریب و بهره‌گیری از خطوط تولید کلاسیک تثبیت شده.
- طرحی برای پیشرفت فناوری کوانتومی فراتر از وضعیت فعلی آن
مشکلات فناوری کوانتومی در وضعیت فعلی ممکن است آشنا به نظر برسد. رایانه‌های کلاسیک نسل اول از اواخر دهه 1930 بر اساس صدها تا هزاران لامپ خلاء بودند، غیرقابل اعتماد بودند و نیاز به نگهداری دائمی داشتند و صدها کیلووات برق مصرف می‌کردند. پتانسیل بازار مصرف‌کننده آشکارا بسیار کم بود. در اواخر دهه 1960، این وضعیت کاملاً تغییر کرد: با ظهور ریزتراشه‌های نیمه‌هادی یکپارچه، استانداردهای جدیدی در زمینه مقرون‌به‌صرفه بودن، تعداد ترانزیستورها در یک پردازنده، مصرف انرژی و قابلیت اطمینان تعیین شد و بدین ترتیب راه را برای فناوری دیجیتال دهه‌های گذشته هموار کرد. آخرین روند در بین همه تولیدکنندگان اصلی AMD، اپل، اینتل، کوالکام، سامسونگ ادغام ماژول‌های پردازنده و حافظه در یک سیستم یکپارچه روی تراشه است که اثرات نویز و اتلاف سیگنال را به حداقل می‌رساند.
به گفته دکتر فلوریان کایزر، رهبر گروه تیم مواد کوانتومی در موسسه علوم و فناوری‌های لوکزامبورگ (LIST)، پیشرفت‌های اخیر در فناوری کوانتومی ثابت کرده است که اکنون می‌توان یک پلتفرم مقیاس‌پذیر مبتنی بر سیستم یکپارچه روی تراشه‌های کوانتومی ایجاد کرد.
در هسته این فناوری، کیوبیت‌ها مبتنی بر چرخش‌های فعال نوری در یک کریستال نیمه‌هادی – به اصطلاح “مراکز رنگی” – قرار دارند. مراکز رنگی بر اساس نقص‌ها یا ناخالصی‌های کوچک اتمی در کریستال میزبان خود که در غیر این صورت بی‌نقص هستند، ساخته می‌شوند که منجر به سیستم‌هایی با خواص کوانتومی تک اتمی می‌شود. فوتون‌های ساطع شده توسط مراکز رنگی می‌توانند به عنوان یک گذرگاه ارتباطی فوتونی عمل کنند، به عنوان مثال برای انتقال اطلاعات کوانتومی بین چندین مرکز رنگی یا برای مسیریابی اطلاعات در یک اینترنت کوانتومی. اسپین الکترون مراکز رنگی می‌تواند به عنوان یک گذرگاه عالی برای پردازش و حافظه‌های کوانتومی عمل کند: از طریق کنترل دقیق اسپین الکترون، دستکاری ده‌ها کیوبیت اسپین هسته‌ای بسیار منسجم در مجاورت یک مرکز رنگی امکان‌پذیر می‌شود و این اسپین‌های هسته‌ای متعلق به بهترین سیستم‌های پردازش و حافظه کوانتومی امروزی هستند.
در دو دهه گذشته، آزمایش‌های چشمگیری با مراکز رنگی در الماس انجام شده است، با این حال، مقیاس‌پذیری به دلیل محدودیت دسترسی به الماس و عدم وجود امکانات ساخت الماس در مقیاس بزرگ به چالش کشیده شده است. بنابراین، کارهای اخیر بر جایگزینی الماس با مواد سازگارتر با صنعت متمرکز شده است.
حدود ده سال پیش، محققان شروع به بررسی مراکز رنگی در سیلیکون کاربید، که پیشروترین نیمه‌هادی پرقدرت در صنعت است، کردند. مطالعات متعدد نشان داد که پردازنده‌های کوانتومی در مقیاس کوچک و حافظه‌های کوانتومی مبتنی بر مراکز رنگی سیلیکون کاربید می‌توانند مستقیماً با همتایان الماسی خود رقابت کنند. علاوه بر این، اولین تلاش‌ها برای ادغام میکرو در تراشه‌های کوانتومی فوتونی امیدوارکننده بود.
گام طبیعی بعدی برای تحقیقات در سال‌های آینده این است که به حداکثر رساندن تکرارپذیری مراکز رنگ کوانتومی با کارایی بالا و طراحی تراشه‌های کوانتومی فوتونی یکپارچه.
دکتر کایزر گفت: «برای بهبود تکرارپذیری مراکز رنگ، باید هر مرحله را در طول خط تولید بهینه کنیم. به طور خلاصه، این امر مستلزم آن است که هنگام ایجاد مراکز رنگ در ماده یا هنگام حکاکی نانوساختارهای فوتونی مورد نیاز در اتاق تمیز، آسیب کریستالی نامطلوب را به حداقل برسانیم.»
برای سرعت بخشیدن به این تحقیق، این تیم اخیراً یک پلتفرم توصیف مرکز رنگ کوانتومی با توان عملیاتی بالا راه‌اندازی کرده است که فضای پارامتری را که می‌توانند در یک افق زمانی معقول مطالعه کنند، به حداکثر می‌رساند.
چشم‌انداز تراشه‌های کوانتومی فوتونی با تکرارپذیری بالا باید از نانوساخت حرفه‌ای در کارخانه‌های ریخته‌گری نیمه‌هادی مستقر بهره ببرد، که نیاز به تعامل نزدیک‌تر بین شرکای دانشگاهی و صنعتی دارد که به طور بالقوه توسط سیستم‌های عامل بلادرنگ (RTO) انجام می‌شود.
تیم دکتر کایزر قرار است با هر دوی این چالش‌ها، از جمله چندین بودجه قابل توجه پروژه از دولت لوکزامبورگ (حدود ۴.۵ میلیون یورو) و شورای تحقیقات اروپا (حدود ۳ میلیون یورو) مقابله کند.
دکتر کایزر افزود: «آنچه کاربید سیلیکون را در میان سایر پلتفرم‌های فناوری کوانتومی امیدوارکننده منحصر به فرد می‌کند، این است که یک نیمه‌هادی صنعتی تثبیت‌شده است. این امر به ما اجازه داده است تا از دستگاه‌های الکترونیکی استاندارد استفاده کنیم که از طریق آنها می‌توان نویز بار در اطراف مراکز رنگی را سرکوب کرد، که به کلید به حداکثر رساندن زمان‌های انسجام تبدیل شده است. علاوه بر این، امروزه بسیاری از کارخانه‌های ریخته‌گری کاربید سیلیکون وجود دارند، به این معنی که ساخت تراشه‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ و مقرون به صرفه می‌تواند به محض رسیدن به نقطه اوج اجرا شود.»
یک توسعه طبیعی در پیاده‌سازی فناوری کوانتومی مبتنی بر مراکز رنگی در کاربید سیلیکون، اینترنت کوانتومی خواهد بود. حافظه‌های کوانتومی عالی مرتبط با مراکز رنگی کاربید سیلیکون می‌توانند برای راه‌اندازی گره‌های تکرارکننده کوانتومی استفاده شوند که تنها رویکرد شناخته شده به سمت یک شبکه ارتباطی کوانتومی کاملاً امن از راه دور هستند.
