یکی از چالشهای اصلی در توسعه رایانش کوانتومی، نه در بخش پردازنده یا نرمافزار، بلکه در سیگنالهای مغناطیسی بسیار ریزی است که از اتمهای منفرد درون تراشه منتشر میشوند. در فناوریهای کوانتومی مبتنی بر سیلیکون و ژرمانیوم، وجود ایزوتوپهای خاص در نسخههای طبیعی این مواد باعث تولید نویز اتمی شده و منجر به از دست رفتن اطلاعات در کیوبیتهای حساس میشود.
چالش نویز اتمی و پدیده ناهماهنگی
برخلاف رایانههای کلاسیک، رایانههای کوانتومی اطلاعات را در کیوبیتها ذخیره میکنند. این واحدها نسبت به محیط اطراف بسیار حساس هستند و حتی کوچکترین اختلالات در سطح اتمی میتواند باعث فرآیندی به نام «ناهماهنگی» (Decoherence) شود که در آن کیوبیت حالت کوانتومی خود را از دست میدهد.
منابع اصلی این اختلال، ایزوتوپهای موجود در طبیعت هستند:
- سیلیکون: در طبیعت عمدتاً شامل سیلیکون-۲۸ است، اما حاوی مقادیر کمی سیلیکون-۲۹ نیز میباشد.
- ژرمانیوم: حاوی چندین ایزوتوپ از جمله ژرمانیوم-۷۳ است.
ایزوتوپهایی مانند سیلیکون-۲۹ و ژرمانیوم-۷۳ دارای «اسپین هستهای» هستند؛ یعنی خاصیت مغناطیسی ریزی دارند که مانند آهنرباهای میکروسکوپی در سراسر ماده عمل کرده و باعث ایجاد نویز میشوند.
دستیابی به خلوص بیسابقه در مواد پیشماده
طبق گزارش Interesting Engineering، دانشمندان موفق به توسعه روشی برای تولید مواد پیشماده سیلیکون و ژرمانیوم فوقخالص شدهاند. این مواد جدید دارای ویژگیهای زیر هستند:
- خلوص بسیار بالا: میزان ایزوتوپهای ایجادکننده نویز در این مواد کمتر از یک قسمت در میلیون (ppm) است.
- برتری نسبت به بازار: این مواد بیش از ۱۰۰ برابر خالصتر از گزینههای تجاری موجود در جهان هستند.
- دقت تولید: فرآیند مذکور موفق به تولید سیلیکون-۲۸ با خلوص ۹۹٫۹۹۹۹ درصد شده است.
کریستوفر لندرز، مدیر دفتر پژوهش و تولید ایزوتوپ وزارت انرژی آمریکا، معتقد است که نویزهای میکروسکوپی فیزیکی سالهاست مانع از تحقق وعده ابررایانههای کوانتومی شدهاند. این پیشرفت جدید نه تنها به حفظ طولانیتر حالتهای کوانتومی کمک میکند، بلکه زنجیره تأمین داخلی آمریکا برای فناوریهای کوانتومی آینده را نیز تقویت خواهد کرد.