پیشرفت سخت‌افزاری در محاسبات کوانتومی
در یک پیشرفت چشمگیر در حوزه سخت‌افزار محاسبات کوانتومی، محققان موفق به توسعه روشی شده‌اند که ظرفیت خازنی سوپراینداکتورها را بیش از ۶۰ درصد کاهش می‌دهد و به طور همزمان تلفات زیرلایه را به میزان قابل توجهی کم می‌کند. این دستاورد علمی که توسط تیمی از پژوهشگران دانشگاه‌های پیشرو در حوزه فناوری کوانتومی حاصل شده است، می‌تواند تحولی اساسی در عملکرد کیوبیت‌ها و ثبات سیستم‌های محاسبات کوانتومی ایجاد کند. سوپراینداکتورها که نقش حیاتی در ساخت مدارهای ابررسانای کوانتومی دارند، همواره با چالش‌های مربوط به ظرفیت خازنی ناخواسته و تلفات انرژی در زیرلایه‌ها مواجه بوده‌اند. این پیشرفت جدید نه تنها این موانع را برطرف می‌کند، بلکه راه را برای ساخت پردازنده‌های کوانتومی با مقیاس بزرگتر و عملکرد پایدارتر هموار می‌سازد. در این مقاله، به بررسی دقیق این فناوری نوین، مکانیسم عملکرد آن و تأثیرات بالقوه‌اش بر آینده محاسبات کوانتومی می‌پردازیم.
محاسبات کوانتومی به عنوان یکی از امیدوارکننده‌ترین فناوری‌های آینده، با چالش‌های سخت‌افزاری متعددی روبرو است که یکی از مهم‌ترین آنها مربوط به مدارهای ابررسانا و به ویژه سوپراینداکتورها می‌شود. سوپراینداکتورها که نوع خاصی از القاگرهای ابررسانا هستند، در طراحی کیوبیت‌های ابررسانا نقش اساسی ایفا می‌کنند و به ایجاد حالت‌های کوانتومی پایدار کمک می‌نمایند. با این حال، این قطعات همواره با مشکل ظرفیت خازنی ناخواسته مواجه بوده‌اند که ناشی از ساختار فیزیکی آنها و برهمکنش با مواد زیرلایه است. این ظرفیت خازنی ناخواسته منجر به تشدید نویز، کاهش کیفیت فاکتور و در نهایت کاهش زمان انسجام کیوبیت‌ها می‌شود که همگی از عوامل محدودکننده در توسعه پردازنده‌های کوانتومی بزرگ‌مقیاس محسوب می‌شوند.
در کنار مشکل ظرفیت خازنی، تلفات دی‌الکتریک در زیرلایه نیز یکی دیگر از موانع اصلی در مسیر پیشرفت محاسبات کوانتومی بوده است. این تلفات که عمدتاً ناشی از برهمکنش میدان‌های الکترومغناطیسی با مواد دی‌الکتریک زیرلایه است، منجر به اتلاف انرژی و کاهش کارایی سیستم می‌شود. تحقیقات نشان داده‌اند که حتی استفاده از بهترین مواد دی‌الکتریک موجود نیز نتوانسته این مشکل را به طور کامل حل کند، چرا که ماهیت فیزیکی زیرلایه‌ها به گونه‌ای است که همواره مقداری تلفات انرژی را به همراه دارد. این دو چالش در کنار هم، توسعه پردازنده‌های کوانتومی با تعداد کیوبیت زیاد و زمان انسجام طولانی را با دشواری مواجه کرده‌اند و نیاز به راهکارهای نوین در طراحی سخت‌افزار کوانتومی را بیش از پیش آشکار ساخته‌اند.
روش جدیدی که توسط محققان توسعه یافته است، بر پایه طراحی نوین هندسی سوپراینداکتورها و استفاده از مواد ترکیبی پیشرفته استوار است. در این روش، ساختار سنتی سوپراینداکتورها که معمولاً به شکل مارپیچ‌های ساده طراحی می‌شدند، با الگوهای پیچیده‌تر و بهینه‌تری جایگزین شده‌اند که توزیع میدان الکتریکی را در فضای اطراف سوپراینداکتور به شدت تغییر می‌دهد. این طراحی نوین که از اصول الکترودینامیک کوانتومی الهام گرفته شده است، باعث می‌شود که بارهای الکتریکی به گونه‌ای توزیع شوند که برهمکنش خازنی ناخواسته بین بخش‌های مختلف سوپراینداکتور و همچنین بین سوپراینداکتور و زیرلایه به حداقل برسد. نتایج آزمایش‌ها نشان می‌دهد که این تغییر طراحی به تنهایی می‌تواند ظرفیت خازنی ناخواسته را تا ۴۵ درصد کاهش دهد.
بخش دیگر این فناوری مربوط به مواد ترکیبی جدیدی است که در ساخت زیرلایه به کار رفته‌اند. این مواد که از ترکیب لایه‌های نازک ابررسانا و عایق‌های خاص ساخته شده‌اند، دارای خواص دی‌الکتریک بسیار پیشرفته‌ای هستند که تلفات انرژی را به حداقل می‌رسانند. نکته کلیدی در این مواد جدید، توانایی آنها در حذف مراکز پراکندگی دی‌الکتریک است که عامل اصلی تلفات انرژی در زیرلایه‌های سنتی محسوب می‌شوند. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که استفاده از این مواد جدید در کنار طراحی بهینه‌شده سوپراینداکتورها می‌تواند تلفات زیرلایه را تا ۷۰ درصد کاهش دهد و در مجموع، بهبودی بیش از ۶۰ درصدی در ظرفیت خازنی کل سیستم ایجاد کند. این پیشرفت‌ها در کنار هم، منجر به افزایش چشمگیر فاکتور کیفیت مدارهای کوانتومی و در نتیجه افزایش زمان انسجام کیوبیت‌ها شده‌است.
برای کسب اطلاعات و اخبار روز با ما در بیسلند همراه باشید.
