تا حالا فکر کردی چرا کامپیوترهای کوانتومی فعلی، انقدر گنده و عجیبن و همیشه باید توی یخچال‌هایی باشن که سردتر از فضای بین سیاره‌ای هست؟ علتش اینه که کوانتوم خیلی نازک‌نارنجیه! اگه بخوان خودشون رو نشون بدن و باقی بمونن، باید تو دماهای نزدیک صفر مطلق (یعنی سردتر از هر چیزی که میشه تصور کرد) نگهشون داشت. کوانتوم یعنی یه دنیای خیلی خیلی کوچیک که قوانین عجیب و غریب خودش رو داره و همون جاییه که انقلاب بعدی تکنولوژی می‌خواد از اونجا شروع بشه.
ولی خبر خوب اینه که یه تیم از دانشگاه جورجیا تک و دانشگاه آلاباما یه پلیمر ساختن که می‌تونه حالت‌های کوانتومی رو توی دمای اتاق نگه داره! پلیمر رو به زبون خودمونی بخوام بگم، یه جور پلاستیکه که مولکولاش به شکل یک زنجیره بلند و به‌هم‌چسبیده‌ان. قبلاً برای کارهای کوانتومی معمولاً از بلورهایی مثل الماس یا سیلیکون کاربید استفاده می‌کردن، ولی مشکل اینجاست که این مواد باید خیلی سرد باشن تا جواب بدن. الان این دانشمندها اومدن و سراغ شیمی رفتن و با یه اختراع خلاقانه تونستن یه ماده بسازن که تو دمای خونه هم کار می‌کنه و نیازی نیست تو یخچال مخصوص قایمش کنن!
حالا این پلیمر جدید چطوری کار می‌کنه؟ داستانش اینه که زنجیره پلیمر رو با دو جور بلوک ساختمانی طراحی کردن: یکی دهنده (یا donor) بر پایه یه ترکیب آلی به اسم دایتینوسیلیل و اون یکی پذیرنده (یا acceptor) به اسم تیا دیازولوکینوکسالین. این اسم‌ها فقط اسمِ شیمیایی خاص این بلوک‌ها هستن؛ مهم اینه که هر کدوم کمک می‌کنن الکترون‌های بدون جفت (spins) – یعنی همون‌هایی که خاصیت کوانتومی دارن – بتونن تو زنجیره پلیمر حرکت کنن و اطلاعات کوانتومی رو از دست ندن.
یه کار خلاقانه دیگه که انجام دادن این بوده که یه اتم سیلیکون رو هم داخل قسمت دهنده گذاشتن تا باعث شده زنجیره کمی تاب برداره. این تاب باعث میشه زنجیره‌ها به هم خیلی نزدیک نشن و Spinها (یا چرخش الکترون‌ها که پایه محاسبات کوانتومیه) زیادی با هم تداخل نکنن و حالت‌های کوانتومی خراب نشه. اگه زنجیره‌ها بچسبن به هم، خیلی زود حالت کوانتومی‌شون می‌پره. این پیچ‌خوردگی دقیقاً به خاطر همینه که جلوی این اتفاق رو می‌گیره.
برای این‌که این پلیمر راحت‌تر بشه باهاش کار کرد و توی وسایل مختلف گذاشت، کنار زنجیره‌هاش شاخک‌هایی از هیدروکربن (یعنی مولکول‌هایی شبیه چربی یا نفت) اضافه کردن که باعث بشه این پلاستیک توی حلال حل بشه و مولکول‌هاش بهم نچسبن. این موضوع باعث میشه خاصیت الکترونی این پلیمر هم حفظ بشه و اطلاعات کوانتومی بهتر منتقل بشن.
اونا کلی شبیه‌سازی و تست آزمایشگاهی انجام دادن. جالب اینجاست که وقتی زنجیره پلیمر بلندتر شد، چگالی اسپین توش پخش میشه و سیستم به یه حالت با انرژی کم ولی دو تا اسپین موازی می‌رسه. این دقیقاً نوع حالتیه که تو «کیوبیت‌ها» (qubit – واحد پایه کامپیوتر کوانتومی) استفاده میشه.
برای این‌که مطمئن بشن واقعاً چی ساختن، از تست‌های مغناطیسی استفاده کردن و دیدن اسپین‌هاشون همون‌طور که می‌خوان، دو تا جفت نشده و هم‌جهت قرار گرفتن (یعنی حالت سه‌گانه یا Triplet Ground State). یه تست دیگه هم به اسم EPR یا Electron Paramagnetic Resonance کردن که یه جور MRI مخصوص الکترونه! یعنی با استفاده از امواج مایکروویو و میدان مغناطیسی می‌تونن رفتار مغناطیسی الکترون‌های جفت نشده رو اندازه بگیرن. نتیجه‌ها نشون داد که سیگنال‌ها باریک و قرینه هستن که نشون میده اسپین‌ها منظم رفتار می‌کنن.
یکی دیگه از نکته‌های خیلی مهم این بود که مقدار g-factor (که می‌گه یه الکترون چقدر به میدان مغناطیسی حساسه) خیلی نزدیک ۲ بوده، یعنی مثل یه الکترون آزاد که اصلاً محیط دور و برش مزاحمش نمی‌شه. این عدم مزاحمت باعث میشه حالت‌های کوانتومی بیشتر عمر کنن؛ یعنی پایداری بیشتری دارن.
حالا قسمت هیجان‌انگیزش اینجاست: این پلیمر تو دمای اتاق زمان پایداری اسپینش (T1) حدود ۴۴ میکروثانیه بوده و زمان حافظه فاز (Tm) هم حدود ۰.۳ میکروثانیه. (این دوتا، مقیاسی برای عمر حالت‌های کوانتومی هستن. T1 نشون میده اسپین کی دوباره به حالت پایه برمی‌گرده و Tm نشون میده کی اطلاعات حالت کوانتومی از بین می‌ره.) وقتی ماده رو تا ۵.۵ کلوین (یه دمای فوق‌العاده سرد!) سرد کردن، T1 شد ۴۴ میلی‌ثانیه و Tm هم رفت بالاتر از ۱.۵ میکروثانیه! نکته مهم اینه که نیازی به حلال منجمد یا ساختارهای خاص برای جداسازی مولکول‌ها نداشتن، که قبلاً همیشه این‌طور بود و عملیاتی‌شدن‌شون رو سخت می‌کرد.
اما دم‌شون گرم، حتی تونستن نوسان رابی (Rabi oscillations) رو هم با این پلیمر نشون بدن! نوسان رابی یعنی می‌تونی با پالس مایکروویو حالت اسپین رو کنترل کنی – که یکی از پایه‌ای‌ترین کارهای لازم برای پردازش کوانتومی هست. درواقع این تیم با این کارش نشون داد که میشه با پلیمرشون عملیات محاسباتی کوانتومی انجام داد.
خلاصه‌اش اینه که این پلیمر فقط تو آزمایشگاه خوب نیست؛ می‌تونن ازش فیلم نازک بسازن، توی ترانزیستورها استفاده کنن (و به عنوان نیمه‌هادی نوع p که بار رو جابه‌جا می‌کنه – سمته مثبتی‌تر) و زیر بار کاری زیاد هم هنوز پایدار کار می‌کنه. پس میشه آینده رو جوری تصور کرد که این مواد توی وسایل الکترونیکی روزمره‌مون بیان و همزمان کارهای الکترونیکی معمولی و کوانتومی انجام بدن!
البته این کشف تمام مشکلات محاسبات کوانتومی رو حل نمی‌کنه. مثلاً زمان حافظه فاز (Tm) تو دمای معمولی هنوز کوتاه‌تر از چیزیه که واسه یک کامپیوتر کوانتومی خیلی بزرگ لازمه. ولی تیم تحقیق گفته دارن روی بهبود ساختار پلیمر، تست ترکیب‌های جدید دهنده-گیرنده و معماری دستگاه‌هایی که همزمان الکترونیک و کوانتوم رو قاطی کنه کار می‌کنن.
این مقاله تو نشریه Advanced Materials چاپ شده و نشون میده مواد کوانتومی لزوماً نباید فقط بلورهای خیلی-خیلی حساس و شکننده باشن که باید تو قفس مخصوص منجمد نگهشون داری. حالا دیگه میشه فکرشو کرد که سنسورهای کوانتومی معمولی، وسایل هوشمند نازک و ارزون و حتی بسترهایی برای کامپیوتر کوانتومی مقیاس‌پذیر تو اتاق خونت داشته باشیم!
منبع: +
