دانشمندان موفق به جایگذاری یک «کارخانه نور کوانتومی» در یک تراشه کوچک شدند

پژوهشگران دانشگاهبوستون، برکلی و نورث‌وسترن به پیشرفتی شگفت‌انگیز دست یافته‌اند که شباهت زیادی به داستان‌های علمی‌تخیلی دارد: «کارخانه نور کوانتومی» که ابعاد آن تنها به اندازه‌ی یک میلی‌متر مربع است. این تیم موفق شده‌اند از فناوری تولید تراشه‌های رایج x86 و ARM، یعنی فرآیند ساخت CMOS به همراه لیتوگرافی ۴۵ نانومتری، برای طراحی این سیستم استفاده کنند؛ دستاوردی که می‌تواند دری به سوی تولید انبوه سخت‌افزارهای کوانتومی باز کند.

این کارخانه به‌عنوان نمونه‌ای از خط تولید آینده سخت‌افزارهای کوانتومی ساخته شده و حاوی ۱۲ حلقه‌ سیلیکونی میکروسکوپی به نام «رزوناتورهای حلقوی» است. به‌گزارش‌ها، هر کدام از این رزوناتورها توانایی تولید زوجی از فوتون‌ها با ویژگی‌های خاص کوانتومی را دارند که برای بسیاری از فناوری‌های کوانتومی ضروری به‌شمار می‌روند. بر خلاف روش‌های آزمایشگاهی رایج که به تجهیزات حساس و آسیب‌پذیر نیاز دارند، این فوتون‌ها به‌راحتی بر روی یک تراشه‌ای به کوچکی ناخن انسان تولید می‌گردند.

جالب‌تر این که تراشه‌ی تولید کننده نور کوانتومی فقط به تولید فوتون‌ها بسنده نمی‌کند؛ بلکه می‌تواند آنها را پایدار نیز نگه دارد. رزوناتورهای حلقوی به شدت تحت تأثیر دما و ناهنجاری‌های تولید قرار دارند، اما تیم تحقیقاتی با افزودن یک سیستم بازخورد داخلی شامل فتودیودهای کوچک برای نظارت بر عملکرد و گرم‌کننده‌های مینیاتوری برای تنظیمات لحظه‌ای، توانسته‌اند پایداری و هماهنگی ۱۲ رزوناتور را بدون نیاز به تجهیزات حجیم تثبیت کنند.

میلوش پاپوویچ، استاد دانشگاه بوستون و یکی از نویسندگان اصلی این پروژه، تصریح کرد که «این یک گام کوچک اما با اهمیت است» که نشان‌دهنده‌ی امکان ساخت سیستم‌های کوانتومی قابل کنترل و تکرارپذیر با استفاده از فناوری‌های صنعتی تولید نیمه‌رسانا است. این پژوهش تنها یک آزمایش علمی نیست، بلکه دلیلی بر قابلیت ساخت تراشه‌های کوانتومی با همان روش‌هایی است که برای تولید سی‌پی‌یوها و کارت‌های گرافیک مورد استفاده قرار می‌گیرد.

انتخاب فناوری CMOS به‌عنوان یکی از نقاط عطف تحقیق در نظر گرفته می‌شود. این فناوری به‌عنوان هسته اصلی تقریباً تمامی دستگاه‌های الکترونیکی مدرن به حساب می‌آید. اگر چه گره ۴۵ نانومتری که در این پروژه به کار رفته، پیشرفته‌ترین گزینه نیست، اما از جنبه‌های هزینه، پایداری و سازگاری با زیرساخت تولید انبوه مزایای قابل توجهی دارد. این تراشه با همکاری GlobalFoundries و شرکت Ayar Labs ساخته شده است، که پیش از این در زمینه ارتباطات نوری برای هوش مصنوعی و رایانش پیشرفته فعالیت داشته‌اند.

تقاطع فناوری کوانتومی و هوش مصنوعی به‌طور تصادفی پدیده‌ای نیست. جنسن هوانگ، مدیرعامل انویدیا، به تازگی از رزوناتورهای حلقوی به عنوان اجزای اساسی در توسعه سخت‌افزارهای نوری برای هوش مصنوعی یاد کرده‌ است. اکنون تحقیقات جدید نشان می‌دهد که این فناوری فوتونیک می‌تواند مجرای توسعه سیستم‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر را هموار کند. در آینده‌ی نزدیک، احتمالاً شاهد هم‌پوشانی بسترهای سیلیکونی میان سخت‌افزارهای هوش مصنوعی و کوانتومی خواهیم بود.

به‌کارگیری اصطلاح «کارخانه نور کوانتومی» صرفاً یک نام‌گذاری تبلیغاتی نیست؛ زیرا همان‌طور که تراشه‌های کلاسیک به برق الکترونیکی و شبکه‌های نوری به نور لیزر وابسته‌اند، تکنولوژی‌های کوانتومی آینده نیز به یک جریان پایدار از نور کوانتومی نیاز دارند. این گروه تحقیقاتی با ساخت و تثبیت منابع نوری کوانتومی بر روی بستر سیلیکون، گام مؤثری در جهت تولید انبوه سخت‌افزارهای کوانتومی برداشته‌اند؛ گامی که قادر است آزمایش‌های علمی را به محصولاتی واقعی و قابل توسعه تبدیل کند.