نمونه هاي اولية رايانه هاي كوانتومي كه از ذرات اتمي و زير اتمي براي انجام محاسبات خود استفاده مي كنند، عجايب آزمايشگاهي هستند و با شليك طيف خاصي از ليزر به درون كريستالهاي خاص، به آزمايش مايع درون دستگاه توليد MRI پزشكي مي پردازند.

رايانه هاي كوانتومي مي توانند در حل مسائل بزرگي مانند شكستن كدهاي رمزي به صورت اعجاب انگيزي سريع باشند. امــا اين نوع رايانه ها عمدتا در حد تئـوري باقي مانده اند. به همين دليل پژوهشگران روش هاي مختلفي را آزمايش مي كنند تا ببينند كه آيا امكان ساخت آنها هست يا خير.

پژوهشگران دانشگاه استانفورد و دانشگاه كيو(Kieo )در ژاپن، در تلاش براي ساخت وسايل كوانتومي كاملاً مشابه با رايانه هاي معمولي و كلاسيك هستند. اين تيم با هدف ساختن رايانه هاي كوانتومي، به طور كامل از مواد متعارف مورد استفاده در رايانه ها- سيليكون- استفاده مي كنند.

تاديوس لاد، يكي از پژوهشگران دانشگاه استانفورد گفت:"" طراحيهــاي مبتني بر سيليكون بســــيار شگفت انگيزند، زيرا همة مهندسين در طي بيش از 40 سال گذشته، فناوري سيليكون را دنبال كرده اند.،،

رايانه هاي كوانتومي براي نشان دادن بيت هاي اطلاعاتي، ذرات اتمي يا زير اتمي كيوبيتها را به كار مي برند. هستة هر اتم مي نواند همانند يك آهنرباي كوچك عمل كند، و بسته به اينكه ميدان مغناطيسي در چه جهتي قرار گيرد، صفر يا يك را نشان مي دهد. رايانه هاي موجود، از وجود يا عدم وجود جريان الكـتـريـكـي حـاصـل از تـرانزيــستــورهـا براي نشان دادن يك ها و صفرهاي اطلاعات ديجيتالي استفاده مي كنند. هنگامي كه يك اتم از محيطش جدا مي شود، هسته در حالت كوانتومي غير طبيعي ابر موقعيت ((Super Position قرار مي گيرد. بــدين مـعنـي كـــه در آميزه اي از تمام شرايط ممكن قرار مي گيرد. يك كيوبيت در حالت ابــر موقـعـيـت مخلوطي از 1 و 0 است، و رشته اي از كيوبيت ها در حالت ابر موقعيت مي تواند هر تركيبي از يك ها و صفرها را به طور همزمان نشان دهد.

قدرت يك رايانه كوانتومي ناشي از توانايي آن براي كنترل و ارائة همزمان تركيبات عددي مختلف جهت دستيابي بـه كـدهاي رمــز است. در صورتي كه رايانـه هاي فـعلـي در هر زمان فقط يك پاسخ را كنترل مي كنند. لذا يك رايانه كوانتومي كار بسياري از رايانه ها را انجام مي دهد.

پـــژوهشگــران در بــزرگتـرين نــمــونــه رايـانـه كـوانـتــومي كـه تا كنون ساخته شده، از فناوري رزونانس مغناطيس هسته اي ( NMR ) مايع براي دستكاري هفت كيوبيت استفاده كردند. NMR كه داراي فناوري وراي دستگاه هاي تصويربرداري رزونانس مغناطيسي (MRI ) است از ميدان هاي مغناطيسي و امواج راديويي براي تغيير و اندازه گيري هسته هاي اتمي در مولكول هاي تشكيل دهندة مايع استفاده مي كند. با اين وجود، پژوهشگران عموماً معـتقدند كـه رايـانــه هاي كوانتومي NMR مايع نمي توانند بزرگتر از 10 كيوبيت ساخته شوند، زيرا قدرت سيگنال هاي راديويي حاصل از كيوبيت ها در مـقـايـسـه بـا سيگنـال ناخواستة هر كيوبيت اضافي، به صورت تصاعدي كاهش مي يابد. يك رايانــه كـوانــتـومـي بــراي استفاده از تـوانايي هاي عظيم خود بايد شامل هزاران يا ميليون ها كيوبيت باشد. رايانه هاي كلاسيك امروزي شامل ميليون ها ترانزيستور هستند.

طرح پژوهشگران دانشگاه هاي استانفورد و كيو از فناوري NMR نيز استفاده مي كند، اما به شكل جامد. طرح آنها به اين صورت است كه به جاي اتم هاي سيليكون از ايزوتوپ سيليكون 29 استفاده كنند، زيرا در سيليكون 29 هسته ها همانند آهنربا عمل مي كنند در حالي كــه سيليكون مـعمـولي چنيـــن نيست. هسته هاي ايزوتوپ سيليكون 29 مشكل سيگنال هاي ناخواسته را كاهش مي دهد. چالش ديگري كه در ساخت رايانه هاي كوانتومي وجود دارد، حفاظت كيوبيت ها از شرايط شكننده است. انرژي محيط اطراف مي تواند كيوبيت ها را نابسامان كند و باعث تفرق(Decoherence) آنها شود. لاد گفت كه تفرق شبـيــه حالتي است كـــه يـك رأس در حال گردش ( Spinning Top) از بين رفته يا آسيب مي بيند. كيوبيتي كه به مدت طولاني تري منسجم باقي بماند، باعث مي شود كه رايانه كوانتومي عمليات بيشتري را انجام دهد. طرح سيليكون جايگزين شده، مسأله عدم انسجام و تفرق و همچنين محافظت از هسته هاي مغناطيسي را مـورد توجه قرار مي دهد و باعث پايدار شدن شرايط كوانتومي مي شود.

طرح اين پــژوهشگــران نيازمند بــه كارگيــري رشته اي از هسته هاي سيليكون 29 براي تشكيل يك كيوبيت است. لاد مي گويد: "" اگر ويفرهاي سيليكوني موجود شكسته شوند ساختار كريستالي لبه ها، پله هايي را تشكيل مي دهد و اتم هاي سيليكون 29 بر روي اين لبــه ها نشستــه و بـه گـوشــه هـاي اين پله ها حركت مي كنند و زنجيره هايي را ايجاد مي كند. اندازه گيري جهت مغناطيسي زنجيره هاي حاوي فقط چند صد هستــة اتمي در مقايسه با گروههايي شامل ميلياردها هستة اتمي در مولكولهاي مايع كار مشكلي است، بطوريكه چنين خاصيت مغناطيسي تا كنون اندازه گيري نشده است.،،

اين پژوهشگران براي اندازه گيري و كنترل اين زنجيره هاي كيوبيتي، آنها را در ميدان هاي مغناطيسي با قدرتهاي مختلف قرار مي دهند و هر زنجير به فركانس راديويي متفاوتي پاسخ مي دهد. يعني اصولاً هر كيوبيت، كانال راديويي مخصوص به خود دارد. لذا با تنظيم فـركانس امــواج راديـويي با يك آنتن مي تـوان آن را براي هر هسته تنظيم كرد. اين سيگنال هاي فركانس راديويي مي توانند هسته ها را به هر طريق كه ما بخواهيم بچرخانند.

اين رايانه هاي كوانتومي عمليات هاي منطقي را از طريق مراحل پيچيدة چرخش انجام مي دهند. اين طرح، او لين طــرح پـيـشنهـاد شده براي ساخت رايانه هاي كوانتومي از سيليكون نيست. بروس كان، پژوهشگر دانشگاه مريلند، طرحي را براي ساخت كيوبيت ها از اتم هاي فسفر كه در فواصل معيني از يك تراشه سيليكوني گنجانده شده اند ابداع كرده است. لاد گفت، كيوبيت هاي اين طرح از نظر تفرق مشكل كمتري دارند و احتمالاً حتي براي خواندن اطلاعات نيز از همة روش هاي سيليكوني كه پژوهشگران به كار مي برند مناسبتر باشند.

بنا بر اظهار نظر لاد، در دراز مدت ممكن است كه طرح كا ن داراي آيندة بهتري باشد، زيرا اين احتمال بيشتر وجود دارد كه براي ساخت رايانه هاي كوانتومي قابل استفاده، نياز به توليد دستگاه هايي شود كه داراي هزاران يا ميليون ها كيوبيت هستند. تفاوت عمده در آن است كه رايانه هاي ما در مدت كوتاه تري قابل حصول و واقع بينانه تر هستند، در حالي كه رايانه هاي كان از دسترس دورتر و بنابراين غير متحمل تر هستند.

بنا به اظهارات لاد، طرح پژوهشگران دانشگاه هاي استانفورد و كيو جالب توجه است و شايد عملي ساختن آن از انواع ديگر رايانه هاي كوانتوم سيليكوني آسان تر باشد. اما استفاده از تعداد زيادي كيوبيت در آن مقدور نيست.

ايلي يابلونويچ، استاد مهندسي الكترونيك دانشگاه كاليفرنيا، لوس آنجلس مي گويد: كه كار اين پژوهشگران ممكن است برخي از مسائل رايانه هاي مــوجـود را حـل كند. وي گفت كه به كارگيري رشتــه هايي از هسته هاي سيليكوني ممكن است نسبت به استفاده از مايعات، داراي برتري هاي زيادي باشد.

با وجـود اين، سـرعـت ايـن فـنـاوري كـمـتر از يك كيلو هرتز در ساعت باقي مي ماند. مـيـدان هـاي مـغـنـاطيــسـي بـاعـث رزونـانس هسته هاي اتـمي در فــركــانس هـاي نسبتاً پايـيـن و كـاهش ســرعت انـــجـام فرامــين مي شوند. سيگنال هاي راديــويـي كــه بـراي كنـتـرل كيوبيت ها به كار برده شده اند بايد با فركانس رزونانس پايين آنها هماهنگ شوند.

بــه همين خاطر، ديگر تيم هاي پژوهشي به جاي كار با هسته هاي اتمي در حال كار با الكـتـرون هـا هستند. يابلونويچ مي گويد: اين نوع از رايانه هاي كوانتومي سيليكوني بسياري از مـزاياي رايانــه هاي نوع ديگر را داشته و عـلاوه بـر آن داراي سرعت يك گيگاهرتز در ساعت هستند. الكترون ها نيز همانند هسته ها مانند آهنرباهاي كوچكي عمل مي كنند اما آنها را مي توان با پالس هاي فوق سريع نور ليزر دستكاري كرد. مانعي كــه بـراي بـه كارگيري الكترون ها وجود دارد اين است كه شرايط كوانتومي آنها در مقايسه با شرايط كوانتومي دوام كمتري دارد.

لاد مي گويد: كـــه تخمين اين كــه توسعـة كامل رايانه هاي كـوانــتــومي تــا چـه مدت زمـانــي به طــول خـواهد انـجـامـيـد مشكل است اما با يك حساب سرانگشتي، اين امر احتمالاً در طي 20 سال آينده ميسر خواهد شد.

نوشته : آقاي دكتر نادر رياحي عالم، عضو هيئت علمي دانشگاه علوم پزشكي تهران, گروه فيزيك پزشكي