طراحی جدید پردازنده کوانتومی ابررسانا در دانشگاه شیکاگو
محققان در مدرسه مهندسی مولکولی پراتزکر دانشگاه شیکاگو (UChicago PME) طراحی جدیدی برای یک پردازنده کوانتومی ابررسانا ارائه داده‌اند که هدف آن ایجاد معماری‌ای برای دستگاه‌های بزرگ‌مقیاس و بادوام است که انقلاب کوانتومی به آن نیاز دارد. برخلاف طراحی‌های معمولی چیپ‌های کوانتومی که اطلاعات پردازشگر (کیوبیت‌ها) را بر روی یک شبکه دو بعدی قرار می‌دهند، تیم آزمایشگاه کلند یک پردازنده کوانتومی مدولار طراحی کرده است که شامل یک روتر قابل تنظیم به عنوان هاب مرکزی می‌باشد. این طراحی به هر دو کیوبیت اجازه می‌دهد تا به هم متصل شده و در هم تنیده شوند، در حالی که در سیستم‌های قدیمی‌تر کیوبیت‌ها تنها می‌توانستند با نزدیک‌ترین کیوبیت‌های فیزیکی خود ارتباط برقرار کنند.
پروفسور اندرو کلند از UChicago PME گفت: “یک کامپیوتر کوانتومی لزوماً در زمینه‌هایی مانند اندازه حافظه یا اندازه CPU با یک کامپیوتر کلاسیک رقابت نخواهد کرد. در عوض، آنها از یک مقیاس‌گذاری به طور بنیادی متفاوت بهره می‌برند: دو برابر کردن قدرت محاسباتی یک کامپیوتر کلاسیک نیاز به دو برابر شدن اندازه CPU یا دو برابر شدن سرعت کلاک دارد. اما دو برابر کردن یک کامپیوتر کوانتومی تنها به یک کیوبیت اضافی نیاز دارد.”
الهام از کامپیوترهای کلاسیک
این طراحی کیوبیت‌ها را در اطراف یک روتر مرکزی خوشه‌بندی می‌کند، مشابه نحوه ارتباط کامپیوترهای شخصی با یکدیگر از طریق یک هاب شبکه مرکزی. “سوئیچ‌های کوانتومی” می‌توانند هر کیوبیت را در عرض چند نانوثانیه متصل یا جدا کنند، که این امر امکان ایجاد دروازه‌های کوانتومی با دقت بالا و تولید درهم‌تنیدگی کوانتومی، منبعی اساسی برای محاسبات و ارتباطات کوانتومی، را فراهم می‌کند. ژونتاو وو، دانشجوی دکتری UChicago PME گفت: “در اصل، هیچ محدودیتی برای تعداد کیوبیت‌هایی که می‌توانند از طریق روترها متصل شوند، وجود ندارد. شما می‌توانید کیوبیت‌های بیشتری را متصل کنید اگر به قدرت پردازش بیشتری نیاز دارید، به شرطی که در یک فضای مشخص جا شوند.”
وو نویسنده اول مقاله‌ای جدید است که در فیزیک ریویو ایکس منتشر شده و این روش جدید اتصال کیوبیت‌های ابررسانا را توصیف می‌کند. چیپ کوانتومی جدید محققان انعطاف‌پذیر، مقیاس‌پذیر و به اندازه چیپ‌های تلفن‌های همراه و لپ‌تاپ‌ها مدولار است. وو گفت: “تصور کنید که یک کامپیوتر کلاسیک دارید که مادربرد آن شامل اجزای مختلفی است، مانند CPU یا GPU، حافظه و دیگر عناصر. بخشی از هدف ما انتقال این مفهوم به دنیای کوانتومی است.”
📢 اگر عاشق علم هستید و نمی‌خواهید هیچ مقاله‌ای را از دست بدهید…
به کانال تلگرام ما بپیوندید! تمامی مقالات جدید روزانه در آنجا منتشر می‌شوند.
📲 عضویت در کانال تلگرام🎨 ربات رایگان ساخت عکس با هوش مصنوعی
با ربات @ai_photo_bbot، هر متنی را به تصویر تبدیل کنید! 🚀
ربات کاملاً رایگان است و منتظر ایدههای جذاب شماست. 🌟
ابعاد و نویز
کامپیوترهای کوانتومی دستگاه‌های پیشرفته و در عین حال حساسی هستند که پتانسیل تحول در زمینه‌هایی مانند ارتباطات، بهداشت و درمان، انرژی پاک و رمزنگاری را دارند. برای اینکه کامپیوترهای کوانتومی بتوانند به طور کامل به این چالش‌های جهانی بپردازند، دو چیز باید اتفاق بیفتد. اول، آنها باید به اندازه کافی بزرگ و با قابلیت عملیاتی انعطاف‌پذیر مقیاس‌گذاری شوند. کلند گفت: “این مقیاس‌گذاری می‌تواند راه‌حل‌هایی برای مشکلات محاسباتی ارائه دهد که یک کامپیوتر کلاسیک به سادگی نمی‌تواند به آنها پاسخ دهد، مانند تجزیه اعداد بزرگ و در نتیجه شکستن کدهای رمزنگاری.”
چالش‌های طراحی پردازنده‌های کوانتومی
دومین نکته این است که این پردازنده‌ها باید خطاپذیری کمی داشته باشند و قادر به انجام محاسبات وسیع با حداقل خطاها باشند. ایده‌آل این است که قدرت پردازش آنها از کامپیوترهای کلاسیک پیشرفته فعلی فراتر رود. پلتفرم کیوبیت‌های ابررسانا که در حال توسعه است، یکی از رویکردهای امیدوارکننده برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی به شمار می‌رود. هاوژیونگ یان، یکی از نویسندگان این مقاله و مهندس کوانتوم در شرکت Applied Materials، در این باره گفت: “یک چیپ پردازنده ابررسانا معمولاً به شکل مربع است و تمام کیوبیت‌ها بر روی آن ساخته می‌شوند. این یک سیستم حالت جامد بر روی یک ساختار صفحه‌ای است.” او افزود: “اگر بتوانید یک آرایه دو بعدی، مانند یک شبکه مربعی، را تصور کنید، این توپوگرافی پردازنده‌های کوانتومی ابررسانا است.”
محدودیت‌های طراحی معمولی
این طراحی معمولی باعث بروز چندین محدودیت می‌شود. اول اینکه قرار دادن کیوبیت‌ها بر روی یک شبکه به این معنی است که هر کیوبیت تنها می‌تواند با حداکثر چهار کیوبیت دیگر – همسایگان نزدیک خود در شمال، جنوب، شرق و غرب – تعامل داشته باشد. اتصال بیشتر کیوبیت‌ها معمولاً پردازنده‌ای قوی‌تر را از نظر انعطاف‌پذیری و بار اضافی اجزا امکان‌پذیر می‌سازد، اما محدودیت چهار همسایه به طور کلی به طراحی صفحه‌ای مربوط می‌شود. این بدان معناست که برای کاربردهای عملی محاسبات کوانتومی، مقیاس‌گذاری دستگاه با استفاده از نیروی خشن احتمالاً منجر به نیازهای غیرواقعی منابع خواهد شد. دوم اینکه اتصالات همسایه نزدیک به نوبه خود کلاس‌های دینامیک کوانتومی که می‌توانند پیاده‌سازی شوند و همچنین میزان موازی‌سازی که پردازنده قادر به انجام آن است را محدود می‌کند. در نهایت، اگر همه کیوبیت‌ها بر روی یک زیرلایه صفحه‌ای ساخته شوند، این موضوع چالش بزرگی برای بازده تولید ایجاد می‌کند، زیرا حتی تعداد کمی از دستگاه‌های ناکام به این معنی است که پردازنده کار نخواهد کرد. یان گفت: “برای انجام محاسبات کوانتومی عملی، به میلیون‌ها یا حتی میلیاردها کیوبیت نیاز داریم و باید همه چیز را به طور کامل بسازیم.”
بازنگری در طراحی چیپ
برای حل این مشکلات، تیم طراحی پردازنده کوانتومی را بازنگری کرد. این پردازنده به گونه‌ای طراحی شده است که ماژولار باشد، به طوری که اجزای مختلف می‌توانند قبل از نصب بر روی مادربرد پردازنده، از پیش انتخاب شوند. مراحل بعدی تیم شامل کار بر روی روش‌هایی برای افزایش تعداد کیوبیت‌ها در پردازنده کوانتومی، یافتن پروتکل‌های نوآورانه برای گسترش قابلیت‌های پردازنده و احتمالاً یافتن راه‌هایی برای اتصال خوشه‌های کیوبیت متصل به روتر به شیوه‌ای مشابه با نحوه اتصال پردازنده‌های اجزای ابرکامپیوترها است. آنها همچنین به دنبال گسترش فاصله‌ای هستند که می‌توانند کیوبیت‌ها را در هم entangle کنند. وو گفت: “در حال حاضر، دامنه اتصال به نوعی میان‌برد است، در حدود میلی‌متر.” او افزود: “بنابراین اگر بخواهیم به دنبال راه‌هایی برای اتصال کیوبیت‌های دور باشیم، باید روش‌های جدیدی برای ادغام سایر فناوری‌ها با تنظیمات فعلی‌مان کاوش کنیم.”
تأمین مالی
دستگاه‌ها و آزمایش‌ها تحت حمایت دفتر تحقیقات ارتش و آزمایشگاه علوم فیزیکی (گرنت ARO شماره W911NF2310077) و همچنین دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی (گرنت AFOSR شماره FA9550-20-1-0270) قرار داشتند.
بیشتر بخوانید
مدیتیشن یک روز پربرکت برای جذب عشق وامنیت و سلامتی
خود هیپنوتیزم درمان زود انزالی در مردان توسط هیپنوتراپیست رضا خدامهری
تقویت سیستم ایمنی بدن با خود هیپنوتیزم
شمس و طغری
خود هیپنوتیزم ماندن در رژیم لاغری و درمان قطعی چاقی کاملا علمی و ایمن
خود هیپنوتیزم تقویت اعتماد به نفس و عزت نفس