یه طرح نو از پردازشگر کوانتومی ابررسانا تو دانشگاه شیکاگو
محققای دانشکده مهندسی مولکولی پراتزکر دانشگاه شیکاگو (UChicago PME) یه طرح جدید برای یه پردازشگر کوانتومی ابررسانا ارائه دادن که هدفش ساختن معماری برای دستگاه‌های بزرگ و با دوامه، همون چیزی که انقلاب کوانتومی بهش نیاز داره. برعکس طراحی‌های معمول تراشه‌های کوانتومی که اطلاعات پردازشگر (کیوبیت‌ها) رو روی یه شبکه دو بعدی می‌چینن، تیم آزمایشگاه کلند یه پردازشگر کوانتومی ماژولار طراحی کرده که یه مسیریاب قابل تنظیم به عنوان هاب مرکزی داره. این طراحی به هر دو کیوبیت اجازه می‌ده تا به هم وصل بشن و در هم تنیده بشن، درحالی‌که تو سیستم‌های قدیمی‌تر، کیوبیت‌ها فقط می‌تونستن با نزدیک‌ترین کیوبیت‌های فیزیکی خودشون ارتباط برقرار کنن.
پروفسور اندرو کلند از UChicago PME گفت: «یه کامپیوتر کوانتومی لزوماً با کامپیوترهای کلاسیک تو چیزایی مثل حافظه یا اندازه CPU رقابت نمی‌کنه. برعکس، اونا از یه مقیاس‌پذیری کاملاً متفاوت استفاده می‌کنن: دو برابر کردن قدرت محاسباتی یه کامپیوتر کلاسیک نیازمند دو برابر شدن اندازه CPU یا دو برابر شدن سرعت کلاکشه. اما دو برابر کردن یه کامپیوتر کوانتومی فقط به یه کیوبیت اضافه نیاز داره.»
الهام از کامپیوترهای کلاسیک
این طراحی کیوبیت‌ها رو دور یه مسیریاب مرکزی جمع می‌کنه، مثل همون‌جوری که کامپیوترهای شخصی با یه هاب شبکه مرکزی با هم در ارتباطن. «کلیدهای کوانتومی» می‌تونن هر کیوبیت رو تو چند نانوثانیه وصل یا جدا کنن، که این امکان رو می‌ده تا دروازه‌های کوانتومی با دقت بالا ساخته بشن و درهم‌تنیدگی کوانتومی تولید بشه، که یه منبع اصلی برای محاسبات و ارتباطات کوانتومی محسوب می‌شه. ژونتاو وو، دانشجوی دکتری UChicago PME، گفت: «در اصل، محدودیتی برای تعداد کیوبیت‌هایی که می‌تونن از طریق مسیریاب‌ها وصل بشن وجود نداره. اگه به قدرت پردازش بیشتری نیاز داشته باشین، می‌تونین کیوبیت‌های بیشتری رو اضافه کنین، به شرطی که تو یه فضای مشخص جا بشن.»
وو نویسنده اصلی یه مقاله جدیدیه که تو فیزیک ریویو ایکس چاپ شده و این روش جدید اتصال کیوبیت‌های ابررسانا رو توضیح می‌ده. تراشه کوانتومی جدید محققان، انعطاف‌پذیر، مقیاس‌پذیر و به اندازه‌ی تراشه‌های موبایل و لپ‌تاپ‌ها مدولاره. وو گفت: «تصور کنین یه کامپیوتر کلاسیک دارین که مادربردش اجزای مختلفی داره، مثل CPU یا GPU، حافظه و بقیه چیزا. بخشی از هدف ما اینه که این مفهوم رو به دنیای کوانتومی منتقل کنیم.»
اندازه و نویز
کامپیوترهای کوانتومی دستگاه‌های پیشرفته و همزمان حساسین که پتانسیل ایجاد تحول تو زمینه‌هایی مثل ارتباطات، بهداشت و درمان، انرژی پاک و رمزنگاری رو دارن. برای اینکه یه کامپیوتر کوانتومی بتونه به طور کامل با این چالش‌های جهانی مقابله کنه، دوتا چیز باید اتفاق بیفته. اول، باید به اندازه کافی بزرگ باشن و قابلیت عملیاتی انعطاف‌پذیر داشته باشن. کلند گفت: «این مقیاس‌پذیری می‌تونه راه‌حل‌هایی برای مشکلات محاسباتی ارائه بده که یه کامپیوتر کلاسیک اصلاً نمی‌تونه بهشون جواب بده، مثل تجزیه اعداد بزرگ و در نتیجه شکستن کدهای رمزنگاری.»
چالش‌های طراحی پردازنده‌های کوانتومی
نکته دوم اینه که این پردازنده‌ها باید خطای کمی داشته باشن و بتونن محاسبات وسیعی رو با کمترین خطا انجام بدن. ایده‌آل اینه که قدرت پردازش‌شون از کامپیوترهای کلاسیک پیشرفته فعلی بیشتر باشه. پلتفرم کیوبیت‌های ابررسانا که دارن توسعه‌اش می‌دن، یکی از رویکردهای امیدوارکننده برای ساختن یه کامپیوتر کوانتومی به شمار می‌ره. هاوژیونگ یان، یکی از نویسنده‌های این مقاله و مهندس کوانتوم تو شرکت Applied Materials، تو این باره گفت: «یه تراشه پردازنده ابررسانا معمولاً به شکل مربع ساخته می‌شه و تمام کیوبیت‌ها رو روش می‌سازن. این یه سیستم حالت جامد روی یه ساختار صفحه‌ایه.» اون اضافه کرد: «اگه بتونید یه آرایه دو بعدی، مثل یه شبکه مربعی، تصور کنید، این توپوگرافی پردازنده‌های کوانتومی ابررساناست.»
محدودیت‌های طراحی معمول
این طراحی معمول، چندتا محدودیت ایجاد می‌کنه. اول اینکه چیدن کیوبیت‌ها رو یه شبکه به این معنیه که هر کیوبیت فقط می‌تونه با حداکثر چهار کیوبیت دیگه – همسایه‌های نزدیک خودش تو شمال، جنوب، شرق و غرب – تعامل داشته باشه. وصل کردن کیوبیت‌های بیشتر معمولاً پردازنده‌ای قوی‌تر از نظر انعطاف‌پذیری و بار اضافی اجزا امکان‌پذیر می‌کنه، اما محدودیت چهار همسایه به طور کلی به طراحی صفحه‌ای مربوط می‌شه. این یعنی برای کاربردهای عملی محاسبات کوانتومی، مقیاس‌بندی دستگاه با استفاده از زور، احتمالاً به منابع غیرواقعی نیاز خواهد داشت. دوم اینکه اتصالات همسایه نزدیک به نوبه خودش، کلاس‌های دینامیک کوانتومی که می‌شه اجرا کرد و همین‌طور میزان موازی‌سازی که پردازنده می‌تونه انجام بده رو محدود می‌کنه. در نهایت، اگه همه کیوبیت‌ها رو یه زیرلایه صفحه‌ای ساخته بشن، این موضوع یه چالش بزرگ برای بازده تولید ایجاد می‌کنه، چون حتی تعداد کمی از دستگاه‌های خراب به این معنیه که پردازنده کار نمی‌کنه. یان گفت: «برای انجام محاسبات کوانتومی عملی، به میلیون‌ها یا حتی میلیاردها کیوبیت نیاز داریم و باید همه چیز رو کامل بسازیم.»
بازنگری تو طراحی تراشه
برای حل این مشکلات، تیم طراحی، پردازنده کوانتومی رو دوباره بررسی کرد. این پردازنده طوری طراحی شده که ماژولار باشه، طوری که اجزای مختلف می‌تونن قبل از نصب رو مادربرد پردازنده، از قبل انتخاب بشن. مراحل بعدی تیم، شامل کار رو روش‌هایی برای افزایش تعداد کیوبیت‌ها تو پردازنده کوانتومی، پیدا کردن پروتکل‌های نوآورانه برای گسترش قابلیت‌های پردازنده و احتمالاً پیدا کردن راه‌هایی برای وصل کردن خوشه‌های کیوبیت متصل به مسیریاب به یه شکل مشابه همون‌جوری که پردازنده‌های اجزای ابرکامپیوترها وصل می‌شن. اونا همین‌طور دنبال گسترش فاصله‌ای هستن که می‌تونن کیوبیت‌ها رو توش entangle کنن. وو گفت: «در حال حاضر، دامنه اتصال، یه جورایی میان‌برده، حدود میلی‌متر. » اون اضافه کرد: «بنابراین اگه بخوایم دنبال راه‌هایی برای وصل کردن کیوبیت‌های دور بگردیم، باید روش‌های جدیدی برای ادغام سایر فناوری‌ها با تنظیمات فعلی‌مون کشف کنیم.»
تأمین مالی
دستگاه‌ها و آزمایش‌ها تحت حمایت دفتر تحقیقات ارتش و آزمایشگاه علوم فیزیکی (گرنت ARO شماره‌ی W911NF2310077) و همین‌طور دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی (گرنت AFOSR شماره‌ی FA9550-20-1-0270) قرار داشتن.
“`
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