پژوهشگران دانشگاه صنعتی دلف و دانشگاه نیوسَوْت وِیلز براساس روش پرکاربرد ساخت مکمل فلز-اکسید-نیمه رسانا (CMOS)، ساختار یک رایانه کوانتومی مقیاس پذیر (scalable) را طراحی کرده‌اند. این روش، اطلاعات را در اسپین الکترون‌های منفردی که مقید به نقاط کوانتومی هستند کدگذاری می‌کند و می‌تواند منجر به ساخت‌ رایانه‌های بزرگ-مقیاس با میلیون‌ها کیوبیت شود.

یک مدار با پایه CMOS

نقطه عطفی در محاسبه

تاکنون، پیشرفته‌ترین طرح محاسبات کوانتومی با ابزارهایی چند ده کیوبیتی ارائه شده اند. IBM Q 50 کیوبیتی ابررسانا - تا نوامبر 2017- رکورددار است. سیستم‌هایی در این اندازه خیلی پیچیده‌تر از آن هستند که با رایانه‌های معمولی شبیه‌سازی شوند، لذا این عرصه به پیشرفت مهمی دست یافته است. اگرچه رایانه‌های کوانتومی در این مقیاس کاربردهای خودشان را دارند، اما هنوز به کنترل صدها، هزاران و یا حتی میلیون‌ها کیوبیت احتیاج است تا قابل استفاده برای عموم باشند.

هیچ فناوری‌ای موضوع مقیاس پذیری را مثل مدارهای مجتمعِ سیلیکونی مجسم نمی‌کند. این زمینه آنچنان به طور قابل اعتماد و اصولی در طی نیم قرن گذشته پیشرفت کرده است که قانون مور Moore- همان مشاهده نظم در افزایشِ قدرت قابل دسترسِ رایانه‌ها- کاملا در فرهنگ مصرف‌کنندگان ثابت شده است. تعجبی ندارد که پژوهشگران امیدوارند پس از این نیز همین فرآیند ساخت که موجب چنین رشدی شده بتواند برای رایانه‌های کوانتومی به طور مشابه عمل کند.

کوچک اما کامل

مِنو ولدهورست Menno Veldhorst و همکارانش در مجله Nature Communications توضیح می‌دهند که چطور فرآیندهای پیشرفته‌ی CMOS به نقطه‌ای رسیده است که قطعات میکروالکترونیک سیلیکونی را بتوان برای ادغام در کیوبیت‌های نقطه-کوانتومی اسپینی به قدر کافی کوچک کرد. ساختاری که توسط ولدهورست و گروهش طراحی شده بر اساس لایه‌ی کیوبیت سیلیکونی است که با سیلیکون 28 غنی شده است. سپس روی لایه‌ی جداکننده‌ای از جنس سیلیکا، مدارهای کنترل و بازخوانی کلاسیک روی سیلیکون همسانگرد معمولی قرار می‌گیرند. به خاطر دمای عملکرد زیر 1 K، عملگرهای کیوبیتی با تشدید اسپینی الکترون کنترل می‌شوند، جفت‌شدگی آن از نوع برهمکنش‌های تبادلی بین الکترون‌های مقید است و اندازه‌گیری توسط بازخوانی پراکنده‌ی فرکانس رادیویی صورت می‌گیرد.   

محققان با استفاده از اندازه‌ مشخصه‌ی کمینه‌ای که اکنون در دسترس است یا پیش‌بینی می‌شود که در آینده نزدیک قابل حصول باشد، هندسه‌ی مداری را پیشنهاد می‌دهند که منجر به نمونه‌های دوبعدی جداگانه هرکدام با  480 کیوبیت خواهد شد. هزاران نمونه از این نوع را می‌توان ترکیب کرد و رایانه‌ای تولید کرد که شامل میلیون‌ها کیوبیت برهمکنشی باشد.  

منبع

Integrated circuits could make quantum computers scalable