ساخت اولین ماده کوانتومی در دمای اتاق؛ خداحافظی با یخچال‌های عظیم برای کامپیوترهای کوانتومی

وقتی اکثر مردم یک کامپیوتر کوانتومی را تصور می‌کنند، یک پردازنده شیک و آینده‌نگر به ذهنشان می‌آید. در واقعیت، تراشه کوانتومی واقعی بسیار کوچک است، اما در داخل یک یخچال رقیق‌سازی عظیم و شبیه لوستر دفن شده است که میلیون‌ها دلار هزینه دارد و مقادیر زیادی انرژی مصرف می‌کند تا سیستم را فقط کسری از درجه بالاتر از صفر مطلق نگه دارد.

این وابستگی به برودت، مدت‌هاست که راز پنهان انقلاب کوانتومی بوده است. تا زمانی که کیوبیت‌ها برای بقا به شرایط انجماد عمیق نیاز داشته باشند، فناوری کوانتومی در آزمایشگاه‌های تخصصی محبوس می‌ماند و برای مراکز داده استاندارد یا دستگاه‌های لبه (Edge Devices) غیرقابل دسترس خواهد بود.[2][5]

اکنون، فیزیکدانان دانشگاه ایالتی لوئیزیانا (LSU) راهی برای شکستن این مانع خنک‌سازی نشان داده‌اند. این تیم در مطالعه‌ای که در مجله نیچر منتشر شد، از اولین ماده کوانتومی با دمای اتاق رونمایی کرد که قادر به تمایز و انتقال حالت‌های کوانتومی مختلف نور است.[1]

این ماده یک عنصر طبیعی نیست، بلکه یک «فرابَلور پلاسمونیک آماری کوانتومی» است؛ ساختاری که با دقت از پایه مهندسی شده تا نویز حرارتی را دور بزند و بر آن غلبه کند.[1][3]

برای ساخت آن، محققان یک لایه نازک طلا به ضخامت ۱۱۰ نانومتر را روی یک زیرلایه شیشه‌ای قرار دادند. سپس با استفاده از پرتوهای یونی متمرکز، صدها شکاف میکروسکوپی را در فلز حک کردند و الگویی نازک‌تر از تار موی انسان ایجاد نمودند.[1][4]

این شکاف‌های ریز به عنوان اتم‌های مصنوعی یا «فرااتم‌ها» عمل می‌کنند. هنگامی که نور به تراشه برخورد می‌کند، امواجی از الکترون‌ها را در امتداد سطح طلا ایجاد می‌کند که به آن‌ها پلاسمون می‌گویند. محققان با کنترل دقیق اندازه، شکل و فاصله فرااتم‌ها، یک فیلتر هندسی غیرفعال ایجاد کردند که نور را صرفاً بر اساس خواص آماری کوانتومی آن دستکاری می‌کند.[1][4]

ادعای اصلی این است که این فرابَلور می‌تواند انواع مختلف نور، مانند نور لیزر در مقابل نور حرارتی، را بدون از بین بردن اطلاعات کوانتومی شکننده رمزگذاری شده در آن‌ها، مرتب‌سازی کند.[3][5]

در سیستم‌های کوانتومی سنتی، ارتعاشات مداوم اتمی ناشی از گرمای دمای اتاق، فوراً این داده‌ها را به هم می‌ریزد؛ فرآیندی که به آن واهمدوسی (Decoherence) می‌گویند. تیم LSU با تغییر تمرکز از الکترون‌ها و اتم‌ها به فوتون‌ها، که کمتر در معرض اختلال حرارتی هستند، و استفاده از هندسه طلا برای هدایت فوتون‌ها به مسیرهای پایدار، این مشکل را دور زد.[2][4]

برای اثبات کارایی طراحی خود، این تیم فرابَلور را در برابر ۱۳ منبع نوری چندفوتونی مختلف آزمایش کرد. آن‌ها نشان دادند که این ماده به طور طبیعی باندهای آماری «مجاز» و «ممنوعه» ایجاد می‌کند، بسیار شبیه به ساختارهای باند الکترونیکی که نحوه هدایت الکتریسیته توسط نیمه‌رساناها را تعیین می‌کنند.[1][2]

نوری که در باند مجاز قرار دارد، بدون تغییر از بلور عبور می‌کند، در حالی که نور در باند ممنوعه به یک حالت مجاز منتقل می‌شود. نکته حیاتی این است که این انتقال قوی به طور کامل در دمای اتاق رخ داد و انسجام کوانتومی ذرات در حال تعامل را حفظ کرد.[1][5]

مهم است که بین آنچه واقعاً به دست آمده و تبلیغات بازاریابی اجتناب‌ناپذیر تمایز قائل شویم. تیم LSU نه یک کامپیوتر کوانتومی با دمای اتاق ساخته است و نه یک پردازنده تجاری تولید کرده که بتوانید آن را به قفسه سرور متصل کنید.

کاری که آن‌ها انجام داده‌اند، ایجاد یک اصل طراحی بنیادی است؛ طرحی که ثابت می‌کند فوتونیک کوانتومی در خارج از تأسیسات برودتی، یک هدف مهندسی معتبر است و نه یک غیرممکن نظری. این فرابَلور به عنوان یک غربال هندسی پیوسته عمل می‌کند و نور را مجبور می‌سازد تا آمار چندفوتونی خود را صرفاً از طریق محدودیت‌های فضایی بازآرایی کند.[3]

اگرچه فیزیک پشت این ایده درست است، اما تبدیل این اثبات مفهوم به یک دستگاه عملی، همچنان یک چالش بزرگ است. ادغام چنین ساختارهایی در شبکه‌های کوانتومی پیچیده و چندجزئی، مستلزم غلبه بر موانع تولید قابل توجهی است، به ویژه در به حداقل رساندن افت سیگنال هنگام حرکت امواج پلاسمونیک در سطح فلز.[1]

با این حال، کاربردهای بالقوه این کشف بسیار فراتر از محاسبات است. از آنجا که این فرابَلور می‌تواند نور را در مسیرهای بسیار پایدار و با حداقل اتلاف هدایت کند، محققان در حال برنامه‌ریزی برای آزمایش این ماده در داخل سلول‌های خورشیدی هستند.[4]

در فتوولتائیک‌های مدرن، بخش قابل توجهی از نور خورشید ورودی به دام افتاده و به گرمای هدر رفته تبدیل می‌شود. ماده‌ای که نور را به صورت هوشمند در سطح کوانتومی هدایت کند، می‌تواند کارایی برداشت انرژی خورشیدی را به شدت افزایش دهد و یک پیشرفت فیزیک کوانتومی را به ابزاری برای انرژی‌های تجدیدپذیر تبدیل کند.[2]

تیم LSU با اثبات اینکه هندسه می‌تواند بر نویز حرارتی غلبه کند، یک راهنمای جدید برای صنعت کوانتوم ارائه کرده است. رقابت برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی عملی دیگر فقط در مورد ساخت یخچال‌های بهتر نیست؛ بلکه در مورد مهندسی موادی است که اصلاً به آن‌ها نیازی ندارند.[5]