توسعه کیوبیت های نیمه هادی در دو بعد

 

توسعه کیوبیت های نیمه هادی در دو بعد

 

قلب هر رایانه یعنی CPU با استفاده از فناوری نیمه هادی ساخته شده است که قادر است میلیون ها ترانزیستور را بر روی یک تراشه قرار دهد. اکنون محققان نشان داده اند که می توان از این فناوری برای ساخت آرایه ای دوبعدی از کیوبیت ها که به عنوان پردازنده کوانتومی عمل می کنند استفاده کرد. این پژوهش می تواند نقطه عطف مهمی در فناوری کوانتومی توسعه پذیر باشد.

رایانه های کوانتومی توانایی حل مسائلی را دارند که پرداختن به آنها با رایانه های کلاسیک غیرممکن است.  در حالی که دستگاه های کوانتومی فعلی ده ها کیوبیت - بلوک اصلی ساخت فناوری کوانتوم - را نگه می دارند یک کامپیوتر کوانتومی در آینده که قادر به اجرای هر الگوریتم کوانتومی باشد ، احتمالاً از میلیون ها تا میلیاردها کیوبیت تشکیل می شود.

کیوبیت ها نوید توسعه پذیر بودن را می دهند زیرا می توان آنها را با استفاده از تکنیک های استاندارد تولید نیمه هادی ها ایجاد کرد.  محققان با قرار دادن چهار کیوبیت در یک شبکه دو در دو و ایجاد یک مدار کوانتومی برای برقراری پیوند بین آنها گامی مهم برای تحقق توسعه پذیری محاسبات کوانتومی برداشته اند.

 

یک پردازنده کاملا کوانتومی

 

الکترونهای محبوس در نقاط کوانتومی - ساختارهای نیمه رسانای فقط چند ده نانومتری - برای بیش از دو دهه به عنوان بستری برای اطلاعات کوانتومی مورد مطالعه قرار گرفته اند. علی رغم همه وعده ها ، توسعه فراتر از منطق دو کیوبیتی همچنان دست نیافتنی است.

برای شکستن این سد گروه تحقیقاتی Veldhorst تصمیم گرفت که رویکردی کاملا متفاوت داشته باشد و شروع به کار با حفره ها ( یعنی الکترون های از دست رفته ) در ژرمانیوم کردند. با استفاده از این روش می توان از همان الکترودهای مورد نیاز برای تعریف کیوبیت ها برای کنترل و ارتباط آنها نیز استفاده کرد.

نیکو هندریکس نویسنده اول مقاله این گروه می گوید : نیاز نیست هیچ ساختار بزرگ دیگری در کنار هر کیوبیت اضافه شود ، به طوری که کیوبیت های ما تقریباً مشابه ترانزیستورهای موجود در تراشه رایانه است.

 

علاوه بر این ، ما کنترل بسیار خوبی را به دست آورده ایم و می توانیم کیوبیت ها را به دلخواه جفت کنیم ،که به ما امکان می دهد گیت های یک ، دو ، سه و چهار کیوبیتی را برنامه ریزی کنیم ، این امر ایجاد مدارات کوانتومی بسیار فشرده را می دهد.

پس از ایجاد موفقیت آمیز اولین کیوبیت نقطه کوانتومی ژرمانیم در سال 2019 ، تعداد کیوبیت های تراشه های آنها هر ساله دو برابر می شود. Veldhorst می گوید : البته چهار کیوبیت به هیچ وجه یک کامپیوتر کوانتومی یونیورسال نمی سازد اما با قرار دادن کیوبیت ها در یک شبکه دو در دو ، ما اکنون می دانیم که چگونه کیوبیت ها را در جهات مختلف کنترل و جفت کنیم. هرگونه معماری واقع گرایانه برای ادغام تعداد زیادی کیوبیت نیاز به اتصال دو بعدی آنها دارد.

ژرمانیوم به عنوان یک پلتفرم بسیار متنوع

نشان دادن منطق چهار کیوبیتی در ژرمانیوم ، پیشرفته ترین دستاوردهای علمی را در زمینه نقاط کوانتومی تعریف می کند و گام مهمی به سمت شبکه های نیمه هادی متراکم و گسترش یافته است. ژرمانیوم علاوه بر سازگاری با تولید نیمه هادی پیشرفته ، ماده ای کاملاً متنوع است. این ماده خاصیت فیزیکی جالبی مانند اتصال چرخشی (spin-orbit coupling) دارد و می تواند با موادی مانند ابررساناها تماس برقرار کند.

از این رو ژرمانیوم در چندین فناوری کوانتومی به عنوان یک پلتفرم عالی در نظر گرفته شده است.

محققان عنوان می کنند : اکنون که ما می دانیم چگونه ژرمانیوم تولید کنیم و مجموعه ای از کیوبیت ها را اداره می کنیم ، مسیر اطلاعات کوانتومی ژرمانیوم واقعاً می تواند آغاز شود.