اطلاعات کوانتومی/اصول کامپیوترهای کوانتومی/روش‌های دیگر

ویکی‎کتاب، کتابخانهٔ آزاد
پرش به ناوبری پرش به جستجو
یون‌های منجمد شده روش‌های دیگر نانو ترانزیستورهای کوانتومی


در حالیکه NMR مایع بدلیل مشکلات کار در دمای اتاق، محکوم است، چندین گروه در جستجوی انجام دستکاری نوع NMR روی یک اتم منفرد در حالت جامد هستند. بویژه طرحی از بروس کین(Bruce Kane) در دانشگاه مریلند نظرات را به خود جلب کرده است. ایده او قرار دادن آرایه‌ای از اتم‌های فسفر در داخل سیلیکن و روکش کردن آن با لایه‌ای عایق، که در بالای آن آرایه‌ای از الکترودها قرار دارد، که هر کدام می‌تواند به اتم زیر خود ولتاژی اعمال کند، است. جنبه استادانه این طرح این است که چگونه کین عمل می‌کند تا اسپین هر هسته را کنترل کند.

درست مانند NMR، اسپین هسته می‌تواند بوسیله حذف موج‌های رادیویی با انرژی درست، عوض شود، اما، البته این موج‌های رادیویی هر هسته‌ای را تغییر می‌دهد. در این حالت اتم فسفر یک الکترون آزاد در لایه بیرونی خود دارد که با اسپین الکترون به روش پیچیده‌ای واکنش می‌کند. اعمال ولتاژ به اتم انرژی لازم برای آدرس دهی هر دو اسپین هسته‌ای و الکترونیکی را تغییر می‌دهد، و بنابراین فرکانس موج‌های رادیویی لازم برای عوض کردن هسته را تغییر می‌دهد؛ بنابراین با اعمال ولتاژ به یک الکترود معین و حذف آرایه با فرکانس جدید، می‌توان هسته منفردی را آدرس دهی کرد.

اما برای اجرای یک عملیات NOT کنترل شده، دو qubit باید به هم وابسته شوند. کین همچنین روشی برای این داشت. ولتاژ اعمالی بین دو اتم فسفر مجاور در آرایه می‌تواند واکنش بین الکترون‌های لایه بیرونی در هر اتم را روشن یا خاموش کند، که این یک عملیات دو qubit ی است. البته، تئوری بسیار عالی است. مشکل در واقع ساخت چنین دستگاهی است، و همکاران کین در حال کار بروی آن هستند. در مرکز تکنولوژی کامپیوترهای کوانتومی در دانشگاه ولز جنوبی، در استرالیا، رابرت کلارک (Robert Clark) تیمی را رهبری می‌کند که امیدوار است بر بسیاری از مشکلاتی که دستگاه کین با آن روبروست، غلبه کند. اولین مشکل، ساخت آرایه‌های اتمی و جلوگیری از کاهش اتم‌های فسفر در داخل سیلیکن است.

کین در حال برپایی آزمایشگاهی برای مطالعه بر روی جنبه دشوار دیگری از دستگاهش است: خواندن اطلاعات. وقتی که عملیات یک یا دو qubitی به پایان رسانده می‌شود، نتیجه باید از اسپین‌های هسته خوانده شود. یکبار دیگر، کین برای بدست آوردن جواب به ارتباط بین اسپین‌های هسته‌ای و الکترونیکی تکیه کرد. او گفت که با خواندن بسیار با دقت اسپین الکترون، امکان فهمیدن اسپین هسته وجود دارد. خواندن اسپین یک الکترون منفرد تابحال انجام نگرفته است، اما کین گفت که این بزودی ممکن خواهد بود.

ایده کین توجه بسیاری را جذب کرده چون بسیاری از این گیت‌های منطقی می‌توانند به هم مرتبط شوند تا یک کامپیوتر کوانتومی بزرگ را تشکیل دهند، اگرچه انجام آن ممکن است زمان برد. کلارک معتقد است که تعدادی qubit ممکن است در مدت زمان متوسطی امکان‌پذیر باشد.

همچنین ابررسانایی پدیده کوانتوم ممکن است برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی مفید باشد. در ۱۹۹۹، در دانشگاه دلفت در هلند، یک تیم مدار ابررسانایی طراحی کرد که در آن جریان‌های Superpose شدهٔ در جهت خلاف چرخش، می‌توانند برای ذخیره و دستکاری qubitها مفید باشند. مدار شامل یک حلقه با سه یا چهار اتصال ژوزفسون (Josephson junctions) برای خواندن حالت مدار می‌باشد. این واقعیت که آن بوسیله تکنیک‌های مرسوم لیتوگرافی پرتوهای الکترون ساخته شده است، آن را در مقیاس بزرگی رسانا می‌کند. اما مدارهای ابررسانایی دارای زمان ناپایداری کوتاهی هستند، و تکنیک‌های امروزه برای خواندن حالت مدار برای تغییر مفید qubitها بسیار سریع هستند.

نقطه کوانتومی، یک تکنولوژی حالت جامد پیشرفته تری است، در اصل یک نیمه هادی ربا که تعداد مشخصی از الکترون‌ها را شامل می‌شود. این‌ها از اوایل دهه ۹۰ مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، چون الکترون‌های ثابت شده مانند اتم‌های مصنوعی با جدول تناوب و شیمی خودشان، عمل می‌کنند. سپس در سال ۱۹۹۸، دیوید دیوینچنزو (David DiVincenzo) از IBM و دانیل لاس (Daniel Loss) از دانشگاه باسل، در سوئیس، پیشنهاد استفاده از نقطه‌های کوانتومی به عنوان قسمت اصلی کامپیوتر کوانتومی را دادند، و از آن به بعد ایده‌های مختلفی برای استفاده از ویژگی‌های کوانتومی نقطه‌ها مطرح شد.

یک ایده به صورت یک سیستم دو qubitی شامل دو الکترون به اشتراک گذاشته شده با چهار نقطه کوانتومی در یک مربع است. الکترون‌ها، به دنبال می نیمم کردن انرژی خود، گوشه‌های متقابل مربع را اشغال می‌کنند، و چون این وضعیت به دو شکل می‌تواند وجود داشته باشد، آن‌ها به صورت superposition وجود دارند که قابل تغییر توسط الکترودها در گوشه‌های مربع هستند. تعدادی از تکنیک‌های دیگر شامل خواندن و نوشتن داده‌ها برروی نقطه‌ها بوسیله پالس‌های لیزری و قرار دادن هسته سیگنال در مرکز هر نقطه است که می‌تواند نسبتاً مانند طرح کین، با تکنیک‌های NMR آدرس دهی شود.