مسیر جدیدی در دنیای کامپیوترهای کوانتومی آغاز شد؛ توسعه بر اساس فیزیک امواج صوتی

گروهی از محققان دانشکده مهندسی دانشگاه شیکاگو اخیراً توانسته‌اند آزمایش‌هایی را در رابطه با موج‌های صوتی و فونون‌ها انجام دهند که در صورت موفقیت به تولید اولین کامپیوترهای کوانتومی مکانیکی در اندازه یک پردازنده لپ‌تاپ ختم خواهد شد.

هنگامی که برای روشن شدن فضای یک اتاق لامپی را روشن می‌کنید، شما در حال تجربه روند انتقال انرژی نوری به صورت فوتون هستید، فوتون‌هایی که بسته‌های کوانتومی کوچک و مجزای انرژی هستند.

این فوتون‌ها از قوانین خاص و گاهی عجیب مکانیک کوانتومی پیروی می‌کنند. به عنوان مثال، بر اساس قوانین دنیای کوانتومی، فوتون‌ها تقسیم ناپذیر هستند، اما در عین حال می‌توانند در دو نقطه کاملاً مجزا حضور داشته باشند.

مانند فوتون‌هایی که پرتوهای نور را تشکیل می‌دهند، ذرات کوانتومی تقسیم‌پذیری که فونون (Phonons) نامیده می‌شوند، می‌توانند پرتویی از صوت را تشکل دهند.

این ذرات از حرکت جمعی کوادریلیون‌ها اتم پدید می‌آیند. به عبارت دیگر، زمانی که شما به یک موسیقی گوش می‌دهید، در حال گوش دادن به جریانی از این ذرات کوانتومی کوچک هستید.

در حال حاضر محققان بر این باورند فونون‌ها که در ابتدا برای توضیح ظرفیت‌های گرمایی جامدات مطرح شده بودند، از قوانین مکانیک کوانتومی مشابه فوتون‌ها پیروی می‌کنند. با این حال، فناوری تولید و شناسایی فونون‌ها چندان پیشرفته نبوده و نسبت به اطلاعات ما در رابطه با فوتون‌ها، بسیار عقب‌تر است.

فناوری‌های مورد نیاز برای آزمایش و کسب اطلاعات از فونون‌ها تنها توسط گروه تحقیقاتی دانشکده مهندسی مولکولی پریتزکر در دانشگاه شیکاگو در حال توسعه است. این تیم تحقیقاتی در حال بررسی خواص کوانتومی اساسی صدا با تقسیم فونون‌ها به دو نیم و درهم تنیدگی آنها است.

به گفته محققان، تحقیقات بنیادی روی فونون‌ها ممکن است روزی به ما اجازه دهد تا نوع جدیدی از کامپیوتر کوانتومی به نام کامپیوتر کوانتومی مکانیکی بسازیم.

راه‌حل ساخت اولین کامپیوتر کوانتومی مکانیکی: تقسیم صدا

برای بررسی خواص کوانتومی فونون‌ها، محققان از آینه‌های صوتی استفاده می‌کند که توانایی هدایت پرتوهای صوت را دارند.

در تازه‌ترین آزمایش‌های مرتبط با ایده ساخت کامپیوترهای کوانتومی مکانیکی، از ابزاری به نام «آینه بد» استفاده شده است که با نام تقسیم‌کننده پرتوی نور نیز شناخته می‌شود. این ابزار تقریباً نیمی صداهای ارسال به سمت خود را منعکس کرده و نیمه دیگر را از بین می‌برد.

به گزارش Sciencealert، در این آزمایش‌ها و پس از اثبات این که فونون‌ها می‌توانند مانند فوتون‌ها بر هم نهی‌های کوانتومی داشته باشند، سؤالات پیچیده‌تری برای محققان ایجاد شد. به عنوان مثال، زمانی که یک فونون را به سمت تقسیم‌کننده پرتو هدایت کنیم، چه اتفاقی رخ می‌دهد.

همان‌طور که گفته شد یک فونون تقسیم‌ناپذیر است، در عوض پس از بر همکنش با شکاف دهنده پرتو، فونون به حالتی ختم می‌شود که آن را وضعیت ابر پوزیشن (superposition state) توصیف می‌کنند. در این حالت فونون حالتی متناقض دارد، یعنی هم منعکس شده و هم منتقل شده است.

در همین رابطه بخوانید:

- همه چیز درباره رایانش کوانتومی و کاربردهای فوق‌العاده‌ای که باید منتظر آنها باشیم
- کامپیوتر کوانتومی گوگل 47 سال سریعتر از ابر کامپیوتر Frontier

اثرات این ابر پوزیشن یا برهم نهی سال‌ها قبل با فوتون‌ها مورد آزمایش قرار گرفته و نتایج مثبتی به همراه داشته است. نتایج این آزمایش‌ها نیز نشان داد که فونون‌ها دارای ویژگی‌های یکسانی هستند. به عبارت دیگر، نتایج به دست آمده از این آزمایش‌ها نشان داد که در آینده این امکان وجود دارد که محققان با استفاده از فونون‌ها یک کامپیوتر کوانتومی مکانیکی تولید کنند.

یک کامپیوتر کوانتومی که از فونون‌ها بهره می‌برد، بسیار جمع‌وجور و مستقل بوده و احتمالاً محققان می‌توانند آن را بر روی یک تراشه کوچک شبیه به پردازنده لپ‌تاپ توسعه دهند.

در صورتی که محققان بتوانند فناوری‌های مبتنی بر فونون‌ها را گسترش داده و بهبود ببخشند، اندازه کوچک کامپیوتر کوانتومی مکانیکی می‌تواند پیاده‌سازی و استفاده از آن را تسهیل کند.