گرافن می‌تواند به تحقق رایانه‌های کوانتومی کمک کند

مجموعه: اخبار علمی و آموزشی

تاریخ انتشار : چهارشنبه, 12 دی 1397 15:52

به گزارش ایسنا و به نقل از گیزمگ، ممکن است رایانه‌های کوانتومی با کشف تازه محققان موسسه فناوری ماساچوست(MIT) یک قدم دیگر به واقعیت نزدیک شده باشند. مانند بسیاری از تکنولوژی‌های کنونی، گرافن به پیشرفت این فناوری نیز کمک شایانی می‌کند.

بیت‌های اطلاعات در رایانه‌های کوانتومی موسوم به "کیوبیت"(qubit) می‌توانند به صورت همزمان در دو حالت وجود داشته باشند و اکنون محققان موسسه فناوری ماساچوست و سایر موسسات تحقیقاتی موفق شده‌اند تا مدت زمانی که این حالت برهم‌نهی در یک کیوبیت ساخته شده از گرافن به طول می‌انجامد، ثبت کنند.

مشهورترین ایده برهم‌نهی کوانتومی، آزمایش "گربه شرودینگر" است. برای فهمیدن این آزمایش منحصر به فرد باید یک گربه را در یک جعبه دربسته تصور کنید که زندگی آن بستگی به گاز رادیواکتیو دارد.

فرض کنید گربه‌ای در جعبه‌ای دربسته زندانی است. در این جعبه یک شیشه گاز سیانور، یک چکش، یک حسگر پرتوزا و یک منبع پرتوزا نیز وجود دارد. ذرات پرتوزا به صورت نامنظم تابش می‌کنند و به همین دلیل برای آنها نیمه‌عمر در نظر می‌گیرند.

حال فرض کنید حسگر و چکش طوری تنظیم شده باشند که در صورت تابش موج پرتوزا بین ساعت ۱۲ و ۱۲:۰۱، چکش، شیشه حاوی گاز را شکسته و گربه بمیرد. اگر در ساعت ۱۲:۰۱ در جعبه را باز کنید چه خواهید دید؟

اگر از طریق فرمول نیمه عمر منبع، احتمال تابش بین ساعت ۱۲ و ۱۲:۰۱ را ۵۰ درصد پیش‌بینی کنید، گربه در هنگام برداشتن در جعبه ۵۰ درصد مرده است و ۵۰ درصد زنده است. اما وقتی در جعبه را برمی‌دارید خواهید دید که گربه یا مرده یا زنده است.

نمی‌توان گفت ۵۰ درصد از سلول‌های بدن گربه مرده‌اند و ۵۰ درصد آن‌ها زنده‌اند. در فاصله یک لحظه، احتمال به یقین تبدیل خواهد شد. این امر کاملا متضاد با مکانیک کوانتومی است.

همانطور که گفتیم هیچ گاه نمی‌توان موقعیت یک سیستم را به دقت اندازه‌گیری نمود. اما در این مثال کاملا این امر ممکن شده است.

این گونه پارادوکس‌ها در مکانیک کوانتومی بسیار زیاد هستند. اما با این همه، مکانیک کوانتومی در پیش‌بینی نتایج بسیاری از آزمایش‌ها به‌طور درخشانی موفق بوده است و زمینه تقریبا تمامی علم و فن نوین است.

مکانیک کوانتومی بر رفتار ترانزیستورها و مدارهای مجتمع که جزو اساسی وسایلی نظیر تلویزیون و رایانه هستند، فرمان می‌راند و نیز بنیاد شیمی و زیست‌شناسی نوین است.

شرح کپنهاک از مکانیک کوانتومی اشاره بر این دارد که بعد از مدتی گربه به‌طور همزمان هم مرده است و هم زنده. هنوز وقتی به داخل جعبه نگاه می‌کنیم، گربه را می‌بینیم که یا زنده است یا مرده، نه هر دوی این‌ها. این آزمایش مشکلاتی از تفسیر کپنهاک از مکانیک کوانتومی اعمال شده بر اشیای روزمره نشان می‌دهد، که تضاد با عقل سلیم است.

شرودینگر آزمایش ذهنی خود را به عنوان یک مقاله epr از نویسنده‌های آن اینشتین، پودولسکی، روزن در سال ۱۹۳۵ نام‌گذاری کرد. این مقاله طبیعت عجیب درگیری کوانتومی را برجسته کرد که یکی از ویژگی‌های یک حالت کوانتومی است که ترکیبی از وضعیت دو سیستم است.(برای مثال دو ریزذره) که یک بار با هم تعامل دارند و پس از آن از هم جدا می‌شوند و در حالت وضعیت قطعی نیستند.

رایانه‌های کوانتومی از این اصل متعارف به نفع خود استفاده می‌کنند. رایانه‌های سنتی اطلاعات را در حالت‌های باینری ذخیره و پردازش می‌کنند، جایی که هر بیت از داده به صورت ۰ یا ۱ نشان داده می‌شود.

از سوی دیگر، رایانه‌های کوانتومی می‌توانند خود را به یک حالت برهم‌نهی از هر دو حالت ۰ و ۱ در یک زمان تغییر دهند که به آنها اجازه می‌دهد در عملیات‌های مشخصی از رایانه‌های سنتی به طور قابل توجهی بهتر عمل کنند.

کیوبیت‌ها هرچه بیشتر بتوانند در حالت برهم‌نهی باقی بمانند که به عنوان "زمان انطباق" شناخته می‌شود، رایانه کوانتومی قوی‌تری خواهیم داشت.

زمان انطباق کیوبیت‌های مبتنی بر گرافن تاکنون ثبت نشده بود، بنابراین محققان در مطالعه جدید قصد کردند آن را اندازه‌گیری کنند و مطمئن شوند که آنها می‌توانند مدت بیشتری در این حالت بمانند.

محققان دریافتند که کیوبیت‌های گرافن به مدت ۵۵ نانوثانیه در حالت برهم‌نهی باقی می‌مانند و سپس به حالت اصلی خود یعنی حالت صفر بازمی‌گردند.

"جوئل وانگ" نویسنده اصلی این مطالعه می‌گوید: انگیزه ما استفاده از خواص منحصر به فرد گرافن برای بهبود کیوبیت‌های ابررسانا است. در این کار ما برای اولین بار نشان می‌دهیم که یک کیوبیت ابررسانای ساخته شده از گرافن، به طور موقت در حالت انطباق کوانتومی قرار می‌گیرد که یک الزام کلیدی برای ساخت مدارهای کوانتومی پیچیده‌تر است. دستگاه ما اولین دستگاه برای نشان دادن یک زمان انطباق قابل اندازه‌گیری است که به اندازه کافی برای کنترل انسانی طول می‌کشد.

درست است که ۵۵ نانوثانیه در مقایسه با دیگر طرح‌های کوانتومی مدت زمان زیادی نیست، اما کیوبیت‌های گرافن دارای مزایای دیگری هستند.

به عنوان مثال گرافن در هنگام مواجهه با خواص ابررسانایی یک تغییر ناگهانی و عجیب دارد. در این مورد تیم محققان یک ورق گرافن را در بین دو لایه هگزاگونال بور نیترید(hBN) قرار دادند و کیوبیت در میان لایه‌های این ابررسانا می‌تواند به جای میدان مغناطیسی، با تغییر ولتاژ تعویض بین حالت‌ها را اختیار کند.

مزیت این کار این است که کیوبیت می‌تواند بیشتر شبیه یک ترانزیستور سنتی عمل کند و اجازه می‌دهد که آنها را در یک تراشه محقق کنیم.

مزایای کیوبیت‌های گرافن واقعا می‌تواند به تحقق رایانه‌های کوانتومی کمک کند و زمان انطباق کیوبیت‌های گرافن یک گام مهم در این کار است.

ممکن است زمان پایداری آنها کوتاه باشد، اما محققان می‌گویند که هدفشان حل این مسئله با تغییر ساختار کیوبیت‌ها و همچنین بررسی نحوه حرکت الکترون‌ها از طریق آنها است.

این تحقیق در مجله Nature Nanotechnology منتشر شده است.