خب بیا یکی از باحال‌ترین اخباری که جدیداً از دانشگاه هاروارد اومده رو با هم مرور کنیم. داستان درباره یه نوآوری خیلی جذابه که شاید مسیر آینده کامپیوترهای کوانتومی رو حسابی راحتتر کنه! دانشمندای هاروارد تونستن به یه روشی برسن که کارای پیچیده‌ی کوانتومی رو فقط با یه دستگاه اپتیکی تخت (یعنی کاملاً صاف و نازک) انجام بده. به این دستگاه میگن “متاسرفیس” (Metasurface)، که در اصل یعنی یه صفحه فوق نازک که روش کلی ساختار نانو وجود داره—نانو یعنی اندازه‌شون از خود طول موج نور هم کوچیک‌تره، واقعاً اون‌قدری ریز که فقط با میکروسکوپ خاص می‌تونی ببینیشون!
اصلاً چرا این موضوع مهمه؟ خب، کامپیوترهای کوانتومی معمولاً با فوتون‌ها (یعنی ذره‌های نور) کار می‌کنن. فوتون‌ها توی انتقال سریع اطلاعات خیلی خفن هستن، اون هم تو دمای محیط؛ یعنی لازم نیست صفر مطلق نگهشون داری که خب کار رو خیلی راحتتر می‌کنه. منتها، برای اینکه این فوتون‌ها رو کنترل کنی معمولاً باید کلی لنز و آینه و اسپلیتر (Beam Splitter: یه دستگاه که نور رو به چند شاخه تقسیم می‌کنه) بذاری کنار هم. تازه وقتی می‌خوای فوتون‌هارو به هم گره بزنی (که بشن Entangled—یه جور خاصیت جادویی تو فیزیک کوانتوم که باعث میشه فوتون ها به همدیگه وابسته باشن)، باید شبکه‌های حسابی پیچیده بسازی. این کارها خب دردسر زیاد داره و بزرگ کردنش هم کلی قطعه و اشتباه و هزینه و دردِ سر داره.
حالا تیم پروفسور کاپاسو (Federico Capasso) تو دانشکده مهندسی و علوم کاربردی جان ا. پالسون هاروارد اومدن با یه متاسرفیس شاهکار همه‌چی رو عوض کردن! سریع بگم متاسرفیس خودش چیه: یه صفحه فوق نازکه که با الگوهای نانومتری، می‌تونه دقیقاً خواص نور رو تغییر بده؛ مثلاً فاز (Phase: حالت موج نور) یا پلاریزاسیون (Polarization: جهت ارتعاش موج نور). یعنی به جای اینکه صدتا عدسی و آینه بچینی، فقط یه متاسرفیس می‌ذاری و همه‌ی این کارا رو راحتتر و دقیق‌تر انجام می‌دی.
خود محقق‌ها گفتن با این کار “بزرگترین مشکل مقیاس‌پذیری” (Scalability: یعنی این که سیستم رو بزرگ‌تر و پیچیده‌تر کردن راحت باشه) کامپیوترهای کوانتومی رو یه قدم بزرگ حل کردن. میگن کل اون آزمایشگاه پیچیده و قطعات فراوون رو می‌تونی تو یه متاسرفیس خیلی نازک و باحال جا بدی که هم پایدارتره، هم خرابیش کمتره و هم جمع و جوره.
یک نکته جالب دیگه اینکه برای طراحی این متاسرفیس، باید ریاضیات خیلی سختی رو حل می‌کردن، چون حالت‌های کوانتومی چندفوتونی واقعاً پیچیده میشن. اینجا از “نظریه گراف” استفاده کردن—نظریه گراف (Graph Theory) یعنی علمی که توش اشیا رو به شکل نقطه و خط نشون میدن تا ارتباطات بینشون رو مدل‌سازی کنن. دانشمندای هاروارد از این روش استفاده کردن تا مسیرهایی که فوتون‌ها باید با هم تداخل کنن رو شناسایی کنن و همون رو بعداً به شکل الگوهای فیزیکی روی سطح متاسرفیس پیاده کنن. خلاصه با این کار، طراحی متاسرفیس و خود حالت کوانتومی میشن دو روی یک سکه؛ یعنی طراحی از ریاضی تا عمل یکپارچه پیش میره و خیلی حرفه‌ای و دقیق درمیاد.
نیال سینکلر (Neal Sinclair) از محقق‌های پروژه گفت با این رویکرد می‌تونن دستگاه رو دقیقاً برای هر حالت کوانتومی خاص که بخوان بسازن. خلاصه یه راه سیستماتیک واسه ساختن دستگاه به سبک آینده!
راستی، چون این متاسرفیس یه طرح یکپارچه و تکه‌واحد داره، نسبت به محیط آسیب‌پذیری کمتری داره و از کلی خطا و لرزش جانبی خلاص میشه. ساختش هم با تکنولوژی رایج صنعت نیمه‌هادی (semiconductor: موادی که در ساخت قطعات الکترونیکی به کار میرن، مثل سیلیکون تراشه‌ها) انجام میشه، یعنی ارزون‌تر و تکرارپذیرتر هم هست. جالب‌تر اینکه با این تکنیک، “اتلاف نور” (Optical Loss: یعنی مقداری از نور که تو مسیر گم یا ضعیف میشه) کلی کم شده و دیگه داده‌های کوانتومی سالم‌تر می‌مونن.
خود دانشمندا گفتن کاربرد این فناوری فقط تو کامپیوتر کوانتومی نیست. این می‌تونه به شبکه‌های کوانتومی (Quantum Networks)، سنجش‌های کوانتومی (Quantum Sensing: یعنی اندازه‌گیری‌های فوق‌العاده دقیق با کمک اثرات کوانتومی) و حتی ساخت آزمایشگاه‌های فوق جمع‌وجور روی تراشه (Lab-on-a-Chip: کل یه آزمایشگاه توی تراشه‌ای به اندازه ناخن) هم کمک کنه. خلاصه دیگه داره یه دنیای جدیدی باز میشه که شاید به زودی ببینیم کامپیوترهای کوانتومی نه فقط تو آزمایشگاه‌های عجیب، بلکه توی خونه‌ها و اداره‌هامون هم بیان!
اگه دوست داری از تکنولوژی و آینده جلو بزنی، این داستان هاروارد رو تو ذهنت داشته باش، چون احتمالاً خیلی زود، متاسرفیس‌ها دنیای اپتیک و فناوری رو تکون میدن!
منبع: +
