تراشه فوتونیک جدید؛ عبور از مرزهای محاسبات کوانتومی

گامی بزرگ به سوی تولید انبوه کامپیوترهای کوانتومی با تکنولوژی CMOS

گذار از سیستم‌های نوری حجیم به مدولاتورهای فوتونیک یکپارچه و ارزان‌قیمت

دنیای محاسبات کوانتومی در آستانه یک تحول ساختاری است. محققان به رهبری جیک فریدمن و پروفسور مت ایچنفیلد در آزمایشگاه‌های ملی ساندیا، موفق به ابداع یک مدولاتور فاز نوری شده‌اند که ۱۰۰ برابر نازک‌تر از تار موی انسان است. این ریزتراشه با استفاده از ارتعاشات مایکروویو، توانایی کنترل دقیق فرکانس‌های لیزر را دارد که برای مدیریت کیوبیت‌ها (در سیستم‌های یون به دام افتاده و اتم‌های خنثی) حیاتی است.

نکته کلیدی این دستاورد، استفاده از روش ساخت CMOS است که اجازه می‌دهد این قطعات برخلاف سیستم‌های آزمایشگاهی فعلی، به صورت انبوه در صنایع نیمه‌هادی تولید شوند. این فناوری با مصرف انرژی ۸۰ برابر کمتر، مشکل گرمای مازاد در پردازنده‌های کوانتومی را حل کرده و مسیر را برای ساخت ماشین‌هایی با میلیون‌ها کیوبیت هموار می‌کند. این جهش، در واقع آغاز دوران فوتونیک یکپارچه و پایان عصر تجهیزات نوری حجیم و گران‌قیمت است.

سایبرکست قسمت 88 : تراشه CMOS کلید مقیاس‌پذیری کوانتومی؟

انقلاب در ابعاد میکروسکوپی: چگونه تراشه‌ای نازک‌تر از مو، آینده کامپیوترهای کوانتومی را دگرگون می‌کند؟

کاهش ۸۰ برابری مصرف انرژی در کنترل‌گرهای لیزری کوانتومی

انقلاب در ابعاد میکروسکوپی: تراشه‌ای که آینده محاسبات کوانتومی را دگرگون می‌کند

دنیای محاسبات کوانتومی در آستانه یک جهش بزرگ قرار دارد و این بار، قهرمان داستان ما نه یک ابرکامپیوتر غول‌آسا، بلکه تراشه‌ای است که ابعاد آن حتی از تصورات معمول ما نیز فراتر رفته است. محققان موفق به توسعه دستگاهی شده‌اند که ۱۰۰ برابر نازک‌تر از تار موی انسان است و پتانسیل این را دارد که سرعت پیشرفت کامپیوترهای کوانتومی را به شکلی دراماتیک افزایش دهد.این ریزتراشه جدید با دقت فوق‌العاده‌ای فرکانس‌های لیزر را کنترل می‌کند، در حالی که مصرف انرژی آن به مراتب کمتر از سیستم‌های حجیم و سنتی امروزی است. نکته طلایی اینجاست که این دستگاه با استفاده از روش‌های استاندارد ساخت تراشه تولید شده است؛ یعنی به جای تولید دستی و سفارشی، می‌توان آن را به صورت انبوه به بازار عرضه کرد که این موضوع مسیر را برای ساخت ماشین‌های کوانتومی بسیار بزرگ‌تر و قدرتمندتر از هر چیزی که امروز می‌شناسیم، هموار می‌کند.

در قلب این فناوری، یک مدولاتور فاز نوری قرار دارد که وظیفه حیاتی کنترل نور لیزر را بر عهده گرفته است. برای اینکه درک بهتری از اهمیت این موضوع داشته باشیم، باید بدانیم که کامپیوترهای کوانتومی آینده احتمالاً به هزاران یا حتی میلیون‌ها کیوبیت (واحد اصلی پردازش اطلاعات کوانتومی) متکی خواهند بود. مدیریت این حجم عظیم از اطلاعات نیازمند ابزاری است که نه تنها دقیق باشد، بلکه در مقیاس صنعتی نیز قابل تولید باشد. برخلاف تجهیزات آزمایشگاهی سفارشی و گران‌قیمت، محققان در این پروژه از روش‌های ساخت مقیاس‌پذیری استفاده کرده‌اند که مشابه فرآیند تولید پردازنده‌های گوشی‌های هوشمند، خودروها و حتی لوازم خانگی ساده است. این رویکرد باعث می‌شود که دستگاه جدید فراتر از یک ایده آزمایشگاهی، به یک راهکار کاملاً عملیاتی و تجاری تبدیل شود.

تیم تحقیقاتی به رهبری جیک فریدمن و پروفسور مت ایچنفیلد، با همکاری دانشمندان آزمایشگاه‌های ملی ساندیا، موفق شدند تکنولوژی‌ای را خلق کنند که ترکیبی از ابعاد کوچک، عملکرد بالا و هزینه پایین است. هسته اصلی این فناوری بر پایه ارتعاشات با فرکانس مایکروویو استوار است که میلیاردها بار در ثانیه نوسان می‌کنند. این ارتعاشات به تراشه اجازه می‌دهند تا نور لیزر را با دقتی خیره‌کننده دستکاری کند. با کنترل مستقیم فاز پرتو لیزر، دستگاه می‌تواند فرکانس‌های جدیدی ایجاد کند که هم پایدار هستند و هم کارآمد؛ سطحی از کنترل که نه تنها برای محاسبات کوانتومی، بلکه برای حوزه‌های نوظهوری مثل حسگرهای کوانتومی و شبکه‌های کوانتومی یک ضرورت انکارناپذیر محسوب می‌شود .

شاید بپرسید چرا کامپیوترهای کوانتومی تا این حد به لیزرهای فوق‌ دقیق نیاز دارند؟ پاسخ در طراحی این سیستم‌ها نهفته است. برخی از امیدوارکننده‌ترین طراحی‌های کوانتومی از یون‌های به دام افتاده یا اتم‌های خنثی برای ذخیره اطلاعات استفاده می‌کنند. در این سیستم‌ها، هر اتم نقش یک کیوبیت را ایفا می‌کند و محققان با تاباندن پرتوهای لیزری که با دقت میلیاردم درصد تنظیم شده‌اند، دستورات محاسباتی را به این اتم‌ها منتقل می‌کنند. جیک فریدمن معتقد است که ایجاد کپی‌های جدید از یک لیزر با اختلاف فرکانس بسیار دقیق، یکی از مهم‌ترین ابزارها برای کار با این دسته از کامپیوترهاست و برای انجام این کار در مقیاس بزرگ، به فناوری‌ای نیاز داریم که بتواند این فرکانس‌ها را به شکلی بهینه تولید کند.

در حال حاضر، این تغییرات فرکانسی دقیق توسط دستگاه‌های بزرگ و اصطلاحاً “رومیزی” انجام می‌شود که توان مایکروویو بسیار زیادی مصرف می‌کنند. اگرچه این سیستم‌ها برای آزمایش‌های کوچک کارآمد هستند، اما برای تعداد عظیم کانال‌های نوری که در کامپیوترهای کوانتومی آینده به آن‌ها نیاز داریم، کاملاً غیرعملی به نظر می‌رسند. همان‌طور که ایچنفیلد به درستی اشاره می‌کند، شما نمی‌توانید یک کامپیوتر کوانتومی را با ۱۰۰ هزار مدولاتور حجیم که در یک انبار پر از میزهای نوری چیده شده‌اند، بسازید. راهکار واقعی، سیستمی است که بتواند روی چند میکروچیپ کوچک جا شود و در عین حال ۱۰۰ برابر گرمای کمتری تولید کند تا پایداری سیستم حفظ شود.

یکی از بزرگترین مزیت‌های این تراشه جدید، بهره‌وری انرژی آن است. این دستگاه حدود ۸۰ برابر توان مایکروویو کمتری نسبت به مدولاتورهای تجاری فعلی مصرف می‌کند. کاهش مصرف توان به معنای تولید گرمای کمتر است که اجازه می‌دهد کانال‌های بیشتری به صورت فشرده در کنار هم روی یک تراشه واحد قرار بگیرند. این ویژگی، تراشه را به یک سیستم مقیاس‌پذیر تبدیل می‌کند که قادر است تعاملات دقیق اتمی مورد نیاز برای محاسبات پیچیده کوانتومی را هماهنگ کند. در واقع، ما شاهد جابه‌جایی مرزهایی هستیم که پیش از این به دلیل محدودیت‌های فیزیکی و حرارتی، غیرقابل عبور به نظر می‌رسیدند.

موفقیت استراتژیک این پروژه در این است که دستگاه کاملاً در یک مرکز تولید نیمه‌هادی یا همان Fab ساخته شده است؛ دقیقاً همان محیطی که برای تولید ریزالکترونیک‌های پیشرفته استفاده می‌شود. ایچنفیلد تأکید می‌کند که تولید CMOS (سیماس)، مقیاس‌پذیرترین فناوری است که بشر تا به حال اختراع کرده است. هر تراشه در گوشی یا کامپیوتر شما میلیاردها ترانزیستور مشابه دارد؛ بنابراین با استفاده از این زیرساخت، می‌توان در آینده میلیون‌ها نسخه مشابه از این دستگاه‌های فوتونیک را تولید کرد که دقیقاً همان چیزی است که صنعت کوانتوم به آن تشنه است.

به گفته نیلز اوترستروم، یکی از نویسندگان ارشد مطالعه، تیم آن‌ها تکنولوژی‌های مدولاتوری را که زمانی حجیم، گران‌قیمت و پرمصرف بودند، بازطراحی کرده است تا کوچک‌تر، کارآمدتر و برای ادغام در سیستم‌های پیچیده مناسب‌تر باشند. این حرکت در واقع نوعی “انقلاب ترانزیستوری” در دنیای نور و اپتیک است؛ عبور از دوران “لامپ‌های خلاء نوری” به سمت فناوری‌های فوتونیک یکپارچه و مقیاس‌پذیر. این رویکرد، ما را به پلتفرم‌های فوتونیک کاملاً عملیاتی نزدیک‌تر می‌کند که قادرند فرآیندهایی مثل تولید فرکانس، فیلترینگ و شکل‌دهی پالس را همگی روی یک تراشه واحد انجام دهند .

در گام‌های بعدی، این تیم قصد دارد با شرکت‌های پیشرو در زمینه محاسبات کوانتومی همکاری کند تا این تراشه‌ها را در محیط‌های واقعی، درون کامپیوترهای کوانتومی مبتنی بر یون‌های به دام افتاده و اتم‌های خنثی آزمایش کند. به گفته فریدمن، این دستگاه یکی از آخرین قطعات پازل برای رسیدن به یک پلتفرم فوتونیک واقعی است که بتواند تعداد بسیار زیادی از کیوبیت‌ها را کنترل کند. با حمایت وزارت انرژی ایالات متحده و از طریق مرکز تحقیقاتی “شتاب‌دهنده سیستم‌های کوانتومی”، این پروژه اکنون در کانون توجه محققانی است که به دنبال تحقق رویای کامپیوترهای کوانتومی کاربردی و در دسترس هستند .با این دستاورد، به نظر می‌رسد که آینده محاسبات نه در کیس‌های بزرگ، بلکه در دل همین تراشه‌های ظریف و هوشمند نهفته باشد.

جمع‌بندی : 

این مقاله روایتگر گذار دنیای کوانتوم از «فیزیک نظری» به «مهندسی مقیاس‌پذیر» است. ساخت مدولاتوری که هم‌زمان کوچک، کم‌مصرف و قابل تولید انبوه باشد، به این معناست که مانع اصلی سخت‌افزاری برای کنترل تعداد بالای کیوبیت‌ها از سر راه برداشته شده و اکنون مسیر برای ظهور ابرکامپیوترهای کوانتومی کاربردی هموارتر از همیشه است.

———————————————————————————

• نکات کلیدی:

• ساخت تراشه‌ای با ضخامتی معادل ۱/۱۰۰ تار موی انسان.

• کاهش چشمگیر مصرف توان (۸۰ برابر بهینه‌تر از مدل‌های تجاری فعلی).

• قابلیت تولید انبوه با استفاده از زیرساخت‌های فعلی ساخت تراشه (Fab).

• کنترل فوق‌دقیق فاز و فرکانس لیزر برای مدیریت هزاران کیوبیت.

• حذف نیاز به میزهای نوری بزرگ و جایگزینی آن‌ها با مدولاتورهای روی تراشه.
  
  

• نکات تکمیلی:

• این پروژه تحت حمایت وزارت انرژی ایالات متحده و مرکز تحقیقاتی QSA انجام شده است.

• تکنولوژی مذکور بر پایه پدیده ارتعاشات با فرکانس مایکروویو (میلیاردها بار در ثانیه) عمل می‌کند.

• این تراشه علاوه بر محاسبات، در حسگرهای کوانتومی و شبکه‌های ارتباطی کوانتومی نیز کاربرد وسیعی دارد.

• پرسش‌های تحقیقاتی بیشتر:

• آیا با تجاری‌سازی این تراشه‌ها، رقابت میان شرکت‌های بزرگ (مثل گوگل و آی‌بی‌ام) به سمت استانداردهای فوتونیک یکپارچه تغییر خواهد کرد؟

• چالش‌های اخلاقی و امنیتی ناشی از دسترسی سریع‌تر به قدرت محاسباتی کوانتومی (مانند شکستن پروتکل‌های رمزنگاری فعلی) چگونه مدیریت خواهد شد؟

• تا چه حد می‌توان امیدوار بود که این تراشه‌ها منجر به تولید کامپیوترهای کوانتومی در ابعاد دیتاسنترهای معمولی (و نه انبارداری) شوند؟

• سخن پایانی نویسنده :

وقتی به تاریخچه تکنولوژی نگاه می‌کنیم، می‌بینیم که «ترانزیستور» چگونه با جایگزینی لامپ‌های خلاء، جهان را دگرگون کرد. امروز من حس می‌کنم ما در همان نقطه عطف برای دنیای کوانتوم هستیم. این تراشه کوچک، در واقع همان ترانزیستورِ دنیای نور است. برای ما در ایران، که متخصصان و فیزیکدانان برجسته‌ای در حوزه اپتیک و فوتونیک داریم، این خبر هم الهام‌بخش است و هم یک هشدار؛ اینکه آینده نه در دستگاه‌های بزرگ، بلکه در توانایی ما برای «کوچک‌سازی» و استفاده از زیرساخت‌های نیمه‌هادی نهفته است. امیدوارم روزی برسد که محققان ما هم به چنین بسترهای تولیدی (Fab) دسترسی داشته باشند تا ایده‌های درخشانشان از روی کاغذ به روی سیلیکون بیاید.

منبع : به گزارش  Sciencedaily 

 

در مجله سایبرلایف بخوانید