محققان استنفورد با استفاده از نور پیچیده، به درهم‌تنیدگی کوانتومی در دمای اتاق دست یافتند

برای دهه‌ها، بزرگترین دشمن فناوری کوانتومی، دمای اتاق بوده است. حالت‌های شکننده کوانتومی که برای پردازش اطلاعات به روش‌های کاملاً جدید مورد نیاز هستند (معروف به کیوبیت‌ها)، به شدت نسبت به نویز حرارتی محیط حساس‌اند. برای حفظ پایداری آنها، غول‌های فناوری و مؤسسات تحقیقاتی مجبور بوده‌اند یخچال‌های رقیق‌سازی (Dilution Refrigerators) عظیم و چند میلیون دلاری بسازند که پردازنده‌های کوانتومی را تا دمای ۱۵ میلی‌کلوین، یعنی سردتر از فضای عمیق، خنک می‌کنند. این گلوگاه برودتی، محاسبات کوانتومی را محدود به تعداد انگشت‌شماری از آزمایشگاه‌های نخبه و پرهزینه کرده و رؤیای یک اینترنت کوانتومی گسترده را دهه‌ها دور از دسترس نشان می‌داد.[1]

اکنون ممکن است این الگو شکسته شده باشد. در مقاله‌ای مهم که در «نیچر کامیونیکیشنز» (Nature Communications) منتشر شد، محققان دانشگاه استنفورد یک دستگاه نوری نانومقیاس را به نمایش گذاشتند که قادر است درهم‌تنیدگی کوانتومی را در دمای اتاق ایجاد کند. این تیم با حذف نیاز به سرمایش شدید، با موفقیت خواص کوانتومی نور و الکترون‌ها را در یک محیط دمای معمولی به هم پیوند داده است. این یک پیشرفت است که اساساً مسیر سخت‌افزار کوانتومی را تغییر می‌دهد و جدول زمانی شبکه‌های ارتباطی کوانتومی قابل استقرار را از آینده‌ای دور به آینده‌ای نزدیک منتقل می‌کند.

جنیفر دیون، استاد مهندسی و علم مواد در استنفورد و نویسنده ارشد این مطالعه، توضیح داد: «ماده مورد بحث واقعاً جدید نیست، اما روشی که ما از آن استفاده می‌کنیم، جدید است.» این دستگاه متکی بر پدیده‌ای است که به عنوان «نور پیچیده» (Twisted Light) شناخته می‌شود تا قبل از اینکه انرژی حرارتی بتواند حالت کوانتومی را از بین ببرد، تعاملی بین فوتون‌ها و الکترون‌ها ایجاد کند. اگرچه هنوز یک کامپیوتر کوانتومی دمای اتاق کاملاً کاربردی نیست، اما بلوک ساختمانی اساسی مورد نیاز برای ارتباطات کوانتومی غیرقابل هک را فراهم می‌کند.[1]

برای درک اینکه چرا این کشف انقلابی است، باید به نحوه شکست سیستم‌های کوانتومی سنتی نگاه کرد. در یک کامپیوتر کوانتومی ابررسانا استاندارد، اطلاعات در اسپین یا سطح انرژی یک ذره زیراتمی ذخیره می‌شود. در دمای اتاق، گرمای محیط باعث می‌شود اتم‌ها به شدت ارتعاش کنند. این نویز حرارتی، کیوبیت‌ها را از حالت برهم‌نهی (Superposition) ظریف خود خارج می‌کند – فرآیندی که به عنوان واهمدوسی (Decoherence) شناخته می‌شود – و این اتفاق در عرض چند فمتوثانیه رخ می‌دهد. اطلاعات قبل از اینکه هرگونه محاسبه یا انتقال مفیدی صورت گیرد، به تصادفی بودن تبدیل می‌شوند، به همین دلیل سرمای شدید همیشه اجباری بوده است.[2]

راه‌حل تیم استنفورد این نبود که با منجمد کردن سیستم با نویز حرارتی مبارزه کند، بلکه این بود که از آن پیشی بگیرد. آنها راهی را مهندسی کردند تا درهم‌تنیدگی را آنقدر سریع و پایدار ایجاد و ثبت کنند که گرمای محیط به سادگی فرصت مختل کردن فرآیند را نداشته باشد. در یک تحلیل از این پیشرفت آمده است: «به زبان ساده، آنها راهی برای رقصیدن با هرج و مرج پیدا کردند، به جای اینکه سعی کنند آن را به سکون منجمد کنند.» این مزیت زمانی، قوانین ترمودینامیک کوانتومی را به طور کامل بازنویسی می‌کند.[2][3]

معماری این دستگاه به طرز شگفت‌انگیزی ظریف است و متکی بر موادی است که در صنعت نیمه‌رساناها به خوبی شناخته شده‌اند. محققان با یک تراشه سیلیکونی استاندارد شروع کردند و آن را با یک الگوی نانومقیاس دقیق حکاکی کردند – ساختاری کوچکتر از طول موج نور مرئی. روی این سیلیکون الگوبرداری شده، آنها یک کریستال فوق‌العاده نازک از دی‌سلنید مولیبدن (molybdenum diselenide) قرار دادند و ساختاری ترکیبی ایجاد کردند که شکاف بین فوتونیک کلاسیک و مکانیک کوانتومی را بدون نیاز به تکنیک‌های ساخت جدید و عجیب پر می‌کند.[1]

دی‌سلنید مولیبدن متعلق به خانواده‌ای از مواد است که به عنوان دی‌کالکوژنیدهای فلز واسطه (TMDCs) شناخته می‌شوند. این مواد به دلیل خواص الکترونیکی و نوری غیرمعمول خود، به ویژه توانایی‌شان در میزبانی اسپین‌های الکترونی پایدار حتی در خارج از خلاء، در فیزیک کوانتوم بسیار ارزشمند هستند. با این حال، صرفاً قرار دادن TMDC روی یک تراشه سیلیکونی برای دستیابی به درهم‌تنیدگی در دمای اتاق کافی نیست؛ جادوی واقعی دستگاه در نحوه دستکاری نور عبوری توسط سیلیکون الگوبرداری شده زیرین نهفته است.[2]

هنگامی که یک پرتو لیزر استاندارد به سیلیکون نانوالگوبرداری شده برخورد می‌کند، ساختار، فوتون‌ها را مجبور می‌کند تا به شکل یک مارپیچ (corkscrew) درآیند. فیزیکدانان این پدیده را «نور پیچیده» می‌نامند. این صرفاً یک اعوجاج بصری نیست؛ هندسه پیچیده، یک خاصیت فیزیکی به نام تکانه زاویه‌ای مداری (orbital angular momentum) را حمل می‌کند. هنگامی که این مارپیچ نوری به لایه دی‌سلنید مولیبدن برخورد می‌کند، تکانه زاویه‌ای خود را مستقیماً به اسپین یک الکترون که درون کریستال قرار دارد، منتقل می‌کند و شکاف بین نور و ماده را به روشی بسیار کنترل شده پر می‌کند.[1][2]

این انتقال مستقیم خواص بین فوتون و الکترون، حالت درهم‌تنیدگی کوانتومی را ایجاد می‌کند. درهم‌تنیدگی، پدیده کوانتومی بسیار عجیبی است که در آن دو ذره به طور جدایی‌ناپذیری به هم پیوند می‌خورند، به طوری که حالت یکی فوراً بر حالت دیگری تأثیر می‌گذارد، صرف نظر از فاصله فیزیکی بین آنها. تیم استنفورد با استفاده از نور پیچیده، موفق شد این پیوند را در دمای اتاق ایجاد کند و یک رابط کیوبیت پایدار بدون نیاز به یخچال رقیق‌سازی یا هلیوم مایع بسازد.

پیامدهای این کشف برای زیرساخت‌های کوانتومی جهانی حیرت‌آور است. در حال حاضر، ساخت یک گره ارتباطی کوانتومی نیازمند یک تأسیسات اختصاصی با شبکه‌های برق تقویت‌شده، تیم‌های مهندسی برودتی تخصصی، و مخازن عظیمی از هلیوم مایع کمیاب است. در مقابل، دستگاه استنفورد یک تراشه حالت جامد است که تحت یک پرتو نور کنترل‌شده کار می‌کند. این دستگاه از لحاظ نظری می‌تواند روی یک قفسه سرور استاندارد قرار گیرد یا مستقیماً در سخت‌افزار شبکه فیبر نوری موجود ادغام شود و به طور چشمگیری ردپای فیزیکی و هزینه‌های عملیاتی فناوری کوانتومی را کاهش دهد.[2][3]

تحلیلگران صنعت اشاره می‌کنند: «اگر برای ایجاد و حفظ انواع خاصی از درهم‌تنیدگی کوانتومی به سرمای شدید نیاز نداشته باشید، ناگهان دیگر به یخچال ۱۰ میلیون دلاری هم نیازی نخواهید داشت.» این امر به طور چشمگیری موانع ورود را کاهش می‌دهد. به جای اینکه فناوری کوانتومی در انحصار شرکت‌هایی مانند گوگل، آی‌بی‌ام و آزمایشگاه‌های تحت حمایت دولت باشد، تراشه‌های فوتونیک دمای اتاق می‌توانند با استفاده از خطوط تولید نیمه‌رسانای موجود ساخته شوند و توسط دانشگاه‌ها، استارتاپ‌ها و شرکت‌های مخابراتی در سراسر جهان مستقر شوند و دسترسی به نسل بعدی محاسبات را دموکراتیزه کنند.[2][3]

فوری‌ترین کاربرد این فناوری در رمزنگاری کوانتومی و ایجاد یک «اینترنت کوانتومی» امن است. از آنجایی که ذرات درهم‌تنیده در صورت مشاهده یا رهگیری به طور اساسی تغییر می‌کنند، یک شبکه ارتباطی که بر اساس درهم‌تنیدگی کوانتومی ساخته شده باشد، از لحاظ نظری در برابر هک مصون است. تا کنون، هزینه گزاف و اندازه عظیم گره‌های برودتی، یک شبکه کوانتومی جهانی را عملاً غیرممکن می‌ساخت. تراشه استنفورد یک طرح واقع‌بینانه برای گره‌های امن، مقیاس‌پذیر و قابل استقرار ارائه می‌دهد که می‌تواند از داده‌های حساس محافظت کند.[2]

با این حال، محققان و شکاکان به طور یکسان مراقب هستند که مرز مشخصی بین یک گره ارتباطی کوانتومی و یک کامپیوتر کوانتومی جهانی ترسیم کنند. دستگاه استنفورد در حال حاضر الگوریتم‌های کوانتومی را اجرا نمی‌کند. این دستگاه نمی‌تواند اعداد اول بزرگ را برای شکستن رمزنگاری کلاسیک تجزیه کند، و همچنین نمی‌تواند مولکول‌های پیچیده را برای کشف داروهای دارویی شبیه‌سازی کند. این یک جزء بسیار تخصصی است که به طور خاص برای تولید و پیوند حالت‌های کوانتومی طراحی شده است، نه یک پردازنده عمومی که بتواند در آینده نزدیک جایگزین ابرکامپیوترهای کلاسیک شود.[1][3]

علاوه بر این، موانع مهندسی قابل توجهی باقی مانده است تا این تراشه بتواند به تولید انبوه برسد و در شبکه‌های تجاری ادغام شود. در حالی که تیم با موفقیت درهم‌تنیدگی را تولید کرده است، خواندن قابل اعتماد این حالت‌های کوانتومی در مقیاس، نیازمند آشکارسازهای نوری بسیار حساسی است که هنوز عمدتاً در مرحله آزمایشی قرار دارند. همچنین، کارایی انتقال اسپین فوتون به الکترون باید بهینه شود تا نرخ خطا کاهش یابد و وفاداری کامل در یک محیط تجاری پرنویز، خارج از شرایط بکر آزمایشگاهی، تضمین شود.[3]

با وجود این هشدارها، مانع روانی و عملی سرمایش برودتی به طور قطعی شکسته شده است. از لحاظ تاریخی، پیشرفت‌هایی با این عظمت – مانند اولین مدار مجتمع دمای اتاق یا اولین لیزر کاربردی – به صورت نمایش‌های آزمایشگاهی ایزوله و شکننده آغاز شدند و سپس اساس فناوری جهانی را تغییر دادند. اکنون مشکل فیزیکی درهم‌تنیدگی دمای اتاق حل شده است؛ آنچه باقی می‌ماند یک مشکل مهندسی پیچیده اما کاملاً قابل حل است. با بهبود تکنیک‌های ساخت، این دستگاه‌های نوری نانومقیاس به ناچار قوی‌تر، قابل اعتمادتر و ارزان‌تر خواهند شد.[2][3]

در حالی که دولت‌ها و غول‌های فناوری برای ایمن‌سازی زیرساخت‌های دیجیتال خود در برابر تهدیدات کوانتومی آینده رقابت می‌کنند، توانایی استقرار گره‌های امن کوانتومی بدون هلیوم مایع، محاسبات ژئوپلیتیکی فناوری را تغییر می‌دهد. دستگاه نور پیچیده استنفورد ممکن است شکل نهایی و غایی کامپیوتر کوانتومی نباشد، اما بدون شک جرقه حیاتی است که می‌تواند فناوری کوانتومی را از انجماد عمیق خارج کرده و به دنیای واقعی بیاورد و راه را برای عصر جدیدی از ارتباطات امن و محاسبات پیشرفته هموار سازد.[3]