اگه تا حالا چیزی درباره کامپیوترهای کوانتومی شنیدی، شاید برات سوال شده باشه این یون‌تراپ‌ها یا تله‌های یونی که میگن، دقیقاً چی هستن و اصلاً چرا اینکه دانشمندها بتونن یک مدل جدید ازش رو بسازن این‌قدر هیجان‌انگیزه؟ بیا با هم یه گپ رفیقونه بزنیم تا داستان کشف جدید دانشمندهای آمریکایی رو تعریف کنم.
ماجرا از این قراره که وقتی می‌خوان کامپیوتر کوانتومی بسازن (که یعنی کامپیوتری که به جای بیت معمولی از “کیوبیت” استفاده می‌کنه و واقعاً یه انقلاب تو دنیای فناوریه)، باید بتونن یون‌ها رو دقیق و ثابت نگه دارن. برای این کار دو روش معروف بوده: یون‌تراپ تخت (یا پلانار، یعنی با الکترودهای صاف و مسطح) و یون‌تراپ سه‌بعدی سنتی (که یکم حجیم‌تر و پیچیده‌تره). مدل‌های تخت راحت‌تر زیاد می‌شن، اما کاراییشون کمتره و مدل‌های سه‌بعدی هم گرچه یون‌ها رو عالی نگه می‌دارن، خیلی دست و پاگیره و جاگیرن.
حالا یک تیم باحال از آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور (LLNL) و چند دانشگاه جورواجور مثل برکلی، ریورساید و سنتا باربارا اومدن یه کار خفن کردن: یون‌تراپ سه‌بعدی رو با چاپ سه‌بعدی خیلی پیشرفته و با دقت بالا ساختن، اونم در اندازه میلی‌متری!
توی این روش جدید، به جای اینکه یک یون‌تراپ سه‌بعدی غول‌پیکر درست کنن، با دوتا فوتون (که تو انگلیسی خودشون بهش میگن Two-photon polymerization printing، یعنی یه جور تکنیک پیشرفته چاپ سه‌بعدی با دو تا پرتو نور)، تونستن تله‌های یون خیلی ریز رو بسازن. در واقع اینجا الکترودها رو با چاپ سه‌بعدی چیدن و الان خیلی راحت می‌تونن صدها تا از این تله‌ها رو توی یک چیپ کوچیک کنار هم بسازن، درست مثل اینکه آدم‌ها اولش مجبور بودن با ترانزیستورهای مجزا سر و کله بزنن و بعد که چیپ اومد، همه چی تغییر کرد.
حالا این تله‌ها چیکار می‌کنن؟ یون کلسیم داخل این تله‌های کوچولو با لیزر خنک می‌شه تا پایین‌ترین سطح انرژی، و دیگه خودش یک کیوبیت حساب می‌شه – یعنی واحد اطلاعات کوانتومی که خیلی خفن‌تر از بیت معمولیه! نکته جالب اینجاست که کیوبیت‌های یونی برخلاف بعضی روش‌ها، نیاز به سرمایش شدید یا تجهیزات خاص ندارن و مدت بیشتری حالت خودشون رو حفظ می‌کنن (تو زبان فنی میگن دکوهرنسشون کمتره، یعنی دیرتر اطلاعاتشون از بین می‌ره).
دانشمندها با این تله‌های جدید، تونستن دو تا یون رو برای چند دقیقه کاملاً پایدار توی تله نگه دارن و حتی جاشون رو هم با هم عوض کنن، بدون این که اختلالی ایجاد بشه! تازه یک عملیات مخصوص دو کیوبیتی هم انجام دادن که دقتش ۹۸٪ بوده! (گِیت کوانتومی یعنی همون عملیاتی که دو تا کیوبیت رو درگیر می‌کنه و اساس همه محاسبات پیچیده کوانتومیه. این دقت واقعاً عدد بزرگیه!)
یعنی با این موفقیت، دیگه راحت می‌تونن یون‌ها رو کنار هم بیارن، محاسبات کوانتومی انجام بدن و باز جداشون کنن. تازه الکترود هر تله رو فقط تو نیم ساعت چاپ می‌کنن و کل تله هم تو ۱۴ ساعت آماده می‌شه. یعنی آزمایش شکل‌ها و مدل‌های جدید اصلاً زمان نمی‌بره و هربار می‌شه یون‌تراپ جدید و بهینه‌تر ساخت.
یکی از فازهای جالب این روش اینه که حالا فُرم و طراحی تله‌ها رو می‌شه خیلی متنوع و پیچیده کرد. یعنی اگر یه روزی بخوان مثلاً مدل دو بعدی و سه بعدی رو ترکیب کنن، با همین چاپ سه‌بعدی امکان‌پذیره!
گروه تحقیقاتی خودشون میگن گام بعدی اینه که قطعات الکترونیکی یا فتونیکی رو مستقیماً بچسبونن به همین چیپ‌ها و اینجوری باز هم اندازه سخت‌افزار رو کمتر کنن. البته هنوز سر و کله یک مشکل همیشه تو کوانتوم دردسر درست می‌کنه: نویز – یعنی همون اختلالات الکتریکی یا محیطی که باعث خطا می‌شه. اما حتی برای اون هم برنامه دارن: هرچی مواد اضافی‌تر رو از نزدیکی یون حذف کنن، نویز کمتر وارد سیستم می‌شه و احتمالاً دقت باز هم بالاتر می‌ره.
این فناوری فقط برای کامپیوتر کوانتومی نیست! همین تله‌های کوچیک ممکنه تو ساعت‌های اتمی دقیق، طیف‌سنج جرمی (mass spectrometer یعنی دستگاهی که می‌تونه جرم ذرات ریز رو دقیق اندازه بگیره) و سنسورهای فوق دقیق استفاده بشن.
در نهایت یکی از پژوهشگرها گفته: «کلاً دنیای کامپیوترهای کوانتومی عاشق این چاپ سه‌بعدی با دقت بالاست، چون فقط این روش می‌تونه همچین ساختار ریز و دقیقی رو بسازه.» خلاصه آینده روشن‌تر شد برای دنیای کوانتوم!
اگه دوست داشتی بیشتر درباره اصل پژوهش بدونی، باید بگم مقاله در مجله Nature منتشر شده و جزو دستاوردهای درجه یکیه که احتمالاً درباره‌ش بیشتر خواهیم شنید.
منبع: +
