دانشمندان یک «کارخانه نور کوانتومی» را در تراشه‌ای کوچک جای دادند

دانشمندان دانشگاه‌های بوستون، برکلی و نورث‌وسترن موفق شده‌اند مفهومی شبیه فیلم‌های علمی‌تخیلی را به واقعیت نزدیک کنند: «کارخانه نور کوانتومی» در ابعادی به اندازه‌ی یک میلی‌متر مربع. آن‌ها سیستم مذکور را با استفاده از همان فناوری ساخت تراشه‌های معمولی x86 و ARM یعنی فرایند تولید CMOS با لیتوگرافی ۴۵ نانومتری ساخته‌اند؛ موفقیتی که می‌تواند گام مهمی به سوی تولید انبوه سخت‌افزارهای کوانتومی باشد.

کارخانه‌ی نور کوانتومی به‌عنوان نمونه‌ی اولیه‌ای از خط تولید کوانتومی آینده طراحی شده و ۱۲ حلقه‌ی سیلیکونی میکروسکوپی به‌نام «رزوناتورهای حلقوی» را در خود جا داده است. طبق اطلاعات منتشر شده، هر کدام از این رزوناتورها زوج فوتون‌هایی با ویژگی‌های کوانتومی خاص تولید می‌کنند که در بسیاری از فناوری‌های کوانتومی حیاتی هستند. برخلاف روش‌های آزمایشگاهی سنتی که به تجهیزات حساس و شکننده نیاز دارند، این فوتون‌ها مستقیماً روی تراشه‌ای کوچک‌تر از ناخن انسان تولید می‌شوند.

Boston University

نکته‌ی تحسین‌برانگیزتر این است که تراشه‌ی کارخانه‌ی نور کوانتومی فقط نور کوانتومی تولید نمی‌کند؛ بلکه می‌تواند آن را پایدار نگه دارد. رزوناتورهای حلقوی به‌شدت به دمای محیط و ناهنجاری‌های تولید حساسیت دارند، اما تیم پژوهشی با تعبیه‌ی سیستم بازخورد داخلی، شامل فتودیودهای کوچک برای پایش عملکرد و گرم‌کننده‌های مینیاتوری برای تنظیم لحظه‌ای، توانستند پایداری و هماهنگی ۱۲ رزوناتور را بدون نیاز به تجهیزات بزرگ تثبیت‌کننده فراهم کنند.

میلوش پاپوویچ، استاد دانشگاه بوستون و یکی از نویسندگان ارشد این پروژه، تأکید کرد که «این گام کوچک، اما مهمی است» که نشان می‌دهد ساخت سیستم‌های کوانتومی قابل کنترل و قابل تکرار با استفاده از فرایندهای صنعتی تولید نیمه‌رساناها ممکن شده است. این پژوهش صرفاً آزمایش آزمایشگاهی نیست؛ بلکه اثباتی است بر امکان ساخت تراشه‌های کوانتومی با همان فناوری‌هایی که برای تولید سی‌پی‌یو و گرافیک استفاده می‌شود.

Boston University

یکی از نقاط عطف تحقیق، انتخاب تکنولوژی CMOS است. این فناوری قلب تپنده‌ی تقریباً تمام دستگاه‌های الکترونیکی امروزی محسوب می‌شود. اگرچه گره ۴۵ نانومتری مورد استفاده در این پروژه پیشرفته‌ترین گزینه‌ی ممکن نیست، اما از نظر هزینه، پایداری و سازگاری با زیرساخت تولید انبوه مزیت دارد. این تراشه با همکاری GlobalFoundries و شرکت Ayar Labs ساخته شده است که پیش‌تر در زمینه‌ی ارتباطات نوری برای هوش مصنوعی و رایانش پیشرفته فعالیت داشته‌اند.

در واقع، تقاطع فناوری کوانتومی با دنیای هوش مصنوعی تصادفی نیست. جنسن هوانگ مدیرعامل انویدیا، اخیراً از رزوناتورهای حلقوی به‌عنوان اجزای کلیدی در توسعه سخت‌افزارهای نوری برای هوش مصنوعی یاد کرده بود. اکنون تحقیقات جدید نشان می‌دهد که همین فناوری فتونیک می‌تواند مسیر توسعه‌ی سامانه‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر را هموار کند. در آینده‌ای نه‌چندان دور، شاید شاهد اشتراک بسترهای سیلیکونی میان سخت‌افزارهای هوش مصنوعی و کوانتومی باشیم.

استفاده از اصطلاح «کارخانه نور کوانتومی» صرفاً تبلیغاتی نیست؛ همان‌طور که تراشه‌های کلاسیک به جریان الکترون و شبکه‌های نوری به نور لیزر وابستگی دارند، فناوری‌های کوانتومی آینده نیز نیازمند جریان پایدار نور کوانتومی خواهند بود. این تیم پژوهشی با ساخت و تثبیت منابع نوری کوانتومی روی بستر سیلیکون، گام بلندی در مسیر تولید انبوه سخت‌افزارهای کوانتومی برداشته است؛ گامی که می‌تواند آزمایش‌های علمی را به محصولات واقعی و قابل توسعه تبدیل کند.