10 دقیقه
درهم‌تنیدگی جدید میان هستهها در سیلیکون با واسطهٔ الکترون
مهندسان دانشگاه UNSW گامی بزرگ به سوی محاسبات کوانتومی مبتنی بر سیلیکون گزارش کرده‌اند: آنها کنترل درهم‌تنیدگی میان اسپینهای هستهای دو اتم فسفر را داخل یک چیپ سیلیکونی با استفاده از الکترونها به‌عنوان واسطه نشان داده‌اند. این آزمایش که در نشریه Science منتشر شده است (18 سپتامبر 2025)، نشان می‌دهد که هستههای اتمی میتوانند اطلاعات کوانتومی را در فواصل و بر مقیاسی منتقل کنند که با فناوری‌های ساخت نیمههادی مدرن سازگار است.
تصور هنری از دو اسپین هستهای که از راه دور از طریق دروازهٔ هندسی اعمال‌شده از طریق الکترون درهم‌تنیده شده‌اند
این دستاورد یک تجارت مرکزی در طراحی سخت‌افزار کوانتومی را حل میکند. اسپینهای هستهای به‌طور استثنایی از نویز جداشده‌اند و میتوانند حالات کوانتومی (کوبیت‌ها) را برای دهها ثانیه ذخیره کنند، اما همین جداسازی، اتصال تعداد زیادی کوبیت را دشوار میسازد. تیم UNSW از تعامل‌های میانجیشده توسط الکترون استفاده کرد تا کوبیت‌های اسپین هستهای که به‌طور معمول ایزوله هستند را به هم متصل کند، در حالی که زمان‌های همدوسی طولانی آنها حفظ میشود — ترکیبی که تا کنون دشوار به‌دست آمده بود.
پیش‌زمینهٔ علمی: اسپینهای هستهای، همدوسی و مقیاسپذیری
اسپینهای هستهای از گزینه‌های اصلی برای کوبیت‌های با عمر طولانی هستند. در دستگاه‌های سیلیکونی دوپ‌شده با فسفر، هر هستهٔ فسفر حامل یک اسپین کوانتومی است که می‌تواند یک کوبیت را نشان دهد. این کوبیت‌های اسپین هستهای به دلیل دکوهرنس بسیار پایین شناخته شده‌اند: گروه UNSW قبلاً زمان‌های همدوسی بیش از 30 ثانیه را در سیلیکون ثبت کرده و وفاداری دروازه‌های تک‌کوبیتی را بالای 99% گزارش داده‌اند. این عملکرد باعث میشود اسپینهای هستهای به‌عنوان عناصر حافظه در پردازندهٔ کوانتومی جذاب باشند.
اما جداسازی قوی دو لبه است. برای اجرای منطق چندکوبیتی و تولید درهم‌تنیدگی — همبستگی غیرکلاسیکی که اساس مزیت کوانتومی است — کوبیت‌ها باید با هم تعامل داشته باشند. از گذشته، اسپینهای هستهای با به‌اشتراک‌گذاشتن همان تابع موج الکترون مرتبط می‌شدند: یک الکترون محلی‌سازی‌شده که روی چند هستهٔ مجاور همپوشانی داشت. این روش می‌تواند تعامل‌های واضح و با وفاداری بالا ایجاد کند، اما مقیاسپذیری دشوار است چون گسترهٔ فضایی الکترون محدود است و کنترل چندین هسته از طریق یک الکترون واحد آدرس‌دهی منفرد کوبیت‌ها را پیچیده میکند.
پیشرفت UNSW این گلوگاه مقیاسپذیری را با جدا کردن نقش‌های ذخیره و تعامل حل میکند: هستهها همچنان بسیار ایزوله می‌مانند، در حالی که الکترونها به‌عنوان کانال‌های ارتباطی قابل‌کنترل عمل میکنند که می‌توان آنها را با ولتاژها و ساختارهای گیت سازگار با فناوری سیلیکون جابجا، شکلدهی و تنظیم کرد.
آزمایش: «تلفن»های الکترونی و جدایی‌های 20 نانومتری
معماری و فرآیند ساخت دستگاه
دستگاه نمایشی از اتم‌های فسفر با دقت کاشته‌شده در یک زیرلایهٔ سیلیکون بسیار خالص استفاده کرد و با گیت‌های فلزی متداول در پردازش پیشرفتهٔ CMOS الگوگذاری شد. کاشت فسفر توسط همکاران در دانشگاه ملبورن انجام شد و زیرلایهٔ سیلیکون توسط شرکایی در دانشگاه کیئو تأمین شد؛ مراحل ساخت از فرآیندهایی پیروی میکند که در حال حاضر در کارخانه‌های تحقیقاتی نیمههادی استاندارد هستند.
چگونه الکترونها ارتباط را واسطه می‌شوند
به‌جای مجبور کردن چندین هسته به اشتراک‌گذاری یک الکترون بسیار محدود، تیم هر هسته را به الکترون خاص خود متصل کرد و سپس بین آن الکترونها یک تعامل طراحی‌شده ایجاد نمود. الکترونها در نیمه‌هادی‌ها اشیاء کوانتومی هستند که میتوانند به‌صورت فضایی گسترش یابند و با یکدیگر تعامل کنند. با شکلدهی توابع موج الکترونی با ولتاژهای گیت و اعمال یک پروتکل کنترل هندسی (دروازهٔ هندسی اعمال‌شده از طریق درجهٔ آزادی الکترون)، پژوهشگران باعث شدند دو الکترون در فاصله‌ای همپوشانی یا بر هم تأثیر بگذارند.
هرگاه هر الکترون مستقیماً به یک هسته متصل باشد، تعامل الکترون-به-الکترون به کانالی مؤثر برای ارتباط هسته-به-هسته تبدیل میشود. در عمل، الکترونها مانند «تلفن‌های» قابل‌کنترلی عمل میکنند: محیط داخلی اسپینهای هستهای آرام و محافظت‌شده باقی می‌ماند، در حالی که حالت‌های الکترونیکی حامل تعاملات درهم‌کننده بین کوبیت‌های هستهای واقع در نقاط دور هستند.
در این آزمایش، هستهها تقریباً 20 نانومتر از هم فاصله داشتند — حدود یک‌هزارم عرض موی انسان. گرچه این فاصله از نظر مطلق کم است، اما با اندازه‌های ویژگی مورد استفاده در ترانزیستورهای تجاری کنونی قابل مقایسه است و در دسترس لیتوگرافی و تکنیک‌های قراردهی ایمپلنت مدرن قرار دارد.
یافته‌های کلیدی و پیامدها برای پردازندههای کوانتومی مقیاسپذیر
نتیجهٔ مرکزی تولید حالات درهم‌تنیدهٔ اسپین هستهای بین دو هستهٔ فسفر در جدایی 20 نانومتری با استفاده از دروازه‌های هندسی میانجیشده توسط الکترون است. این درهم‌تنیدگی یک منبع اساسی برای الگوریتم‌های کوانتومی و تصحیح خطاست.
از آنجا که کوبیت‌های هستهای برای مدت‌های طولانی ایزوله باقی می‌مانند، این رویکرد خصوصیات حافظهٔ کوانتومی بسیار خوبی را حفظ میکند و در عین حال تعامل‌های دوکوبیتی کنترل‌شده را هنگامی‌که مورد نیاز است فعال میسازد. الکترونها به‌عنوان واسطه‌های سریع و قابل‌تنظیم عمل میکنند: آنها را می‌توان به‌صورت الکتریکی جابجا یا پیکربندی مجدد کرد، که اجازه می‌دهد تعامل‌ها به‌طور دینامیک روشن و خاموش شوند. چنین سطحی از کنترل برای مقیاس‌بندی به صدها هزار تا میلیون‌ها کوبیت که برای پردازندههای کوانتومی مقاوم در برابر خطا مدنظر است، حیاتی است.
این آزمایش یک محدودیت معماری بزرگ را حذف میکند: دیگر لازم نیست کوبیت‌های هستهای برای تعامل، یک الکترون مشترک داشته باشند. در عوض، اتصال می‌تواند بین واحدهای مستقل کنترل‌شدهٔ الکترون-هسته برقرار شود. این ماژولاریتی به‌خوبی با جریان کار تولید روی ویفر در نیمه‌هادی‌ها تطبیق دارد و نشان می‌دهد که پایهٔ تولید چندتریلیون دلاری نیمههادی ممکن است برای تولید پردازندههای کوانتومی سیلیکونی ساخته‌شده از بلوک‌های سازندهٔ اسپین هستهای سازگار شود.
مزایا فنی و چالش‌های باقیمانده
مزایا:
- زمان‌های همدوسی طولانی: اسپینهای هستهای حافظهٔ کوانتومی مقاومی فراهم میکنند که برای معماریهای دارای تصحیح خطا مناسب است.
- سازگاری با کارخانه‌های سیلیکون: ابعاد دستگاه (~20 نانومتر) با اندازه‌های ویژگی ترانزیستورهای معاصر هم‌تراز است و ادغام را تسهیل میکند.
- کنترل الکتریکی الکترونها: الکترونها به‌راحتی با میدان‌های الکتریکی جابجا و شکلدهی می‌شوند و امکان دروازه‌زنی سریع و اتصال انتخابی را فراهم می‌آورند.
چالشهایی که هنوز باید بر آنها فائق آمد عبارت‌اند از:
- گسترش این نمایش دوکوبیتی به آرایههای چندکوبیتی و طرح‌های مسیربندی برای لینکهای میانجیشده توسط الکترون.
- حفظ نرخ خطای پایین در عملیات چندکوبیتی و ادغام با الکترونیک خوانش و کنترل در مقیاس.
- مدیریت تداخل متقابل و پیچیدگی کالیبراسیون با افزایش تعداد لینکهای میانجیشده توسط الکترون.
فناوری‌های مرتبط و مقایسه‌ها
سکوهای دیگر کوبیت — مدارهای ابررسانا، یونی‌های گرفتار شده، نقطه‌های کوانتومی نیمههادی و مراکز رنگی در الماس — هر یک سرعت، همدوسی و مقیاسپذیری را به‌صورت متفاوتی متوازن میکنند. کوبیت‌های ابررسانا دروازه‌های سریعی انجام می‌دهند اما نیاز به یخچال‌های رقیق‌ساز دارند و با محدودیت‌های همدوسی مواجه‌اند؛ یون‌های گرفتار شده همدوسی عالی و دروازه‌های با وفاداری بالا ارائه می‌دهند اما ادغام در مقیاس چیپ دشوارتر است. رویکرد اسپین هستهای فسفر-در-سیلیکون ترکیبی از همدوسی استثنایی با مسیر روشن به سمت ساخت براساس CMOS را ارائه می‌دهد و آن را به گزینه‌ای متقاعدکننده برای حافظهٔ کوانتومی و ستون‌های پردازنده تبدیل میکند زمانی‌که با کوبیت‌های میانجی سریع‌تر ترکیب شود.
از آنجا که الکترونها را می‌توان با ولتاژهای گیت شکل داد و جابجا کرد، معماریهای هیبریدی نیز ممکن است: کوبیت‌های سریع اسپین الکترون یا کوبیت‌های نقطهٔ کوانتومی میتوانند منطق با سرعت بالا را اجرا کنند در حالی‌که اسپینهای هستهای ذخیرهٔ طولانی‌مدت و حافظهٔ دارای تصحیح خطا را فراهم می‌آورند. نتیجهٔ UNSW چنین طرح‌های هیبریدی را عملی‌تر میکند.
دیدگاه کارشناسی
دکتر لیان پارک، متخصص سخت‌افزار کوانتومی (ساختگی)، می‌گوید: «این آزمایش یک مسیر عمل‌گرایانه برای مقیاسپذیری نشان می‌دهد: بهترین حافظه‌های کوانتومی را آرام نگه دارید و از حالت‌های الکترونیکی قابل‌جابجایی به‌عنوان لینکهای کنترل‌شده استفاده کنید. چالش فنی پیش‌رو مهندسی لایه‌های مسیربندی و تصحیح خطاست که همدوسی را حفظ کنند و در عین حال از عملیاتهای درهم‌تنیدگی پُر‌ظرفیت پشتیبانی نمایند. سازگاری با فرایندهای استاندارد سیلیکونی یک مزیت بزرگ است — این اجازه می‌دهد دهه‌ها تجربهٔ صنعتی را برای ساخت سخت‌افزار کوانتومی به‌کار بگیریم.»
مسیر پیش‌رو و چشم‌انداز
تیم UNSW اشاره میکند که این تکنیک مقاوم و قابل‌گسترش است. نمایش دوالکترونی را می‌توان با افزودن الکترون‌های بیشتر یا با طولانی‌تر کردن توابع موج الکترونی برای برقراری اتصال بین هستهها در نواحی وسیع‌تر تعمیم داد. از آنجا که الکترونها به‌راحتی از نظر الکتریکی قابل‌دستکاری هستند، شدت و مدت اتصال‌ها را می‌توان به‌سرعت تنظیم کرد و توالی‌های دروازه‌ای مورد نیاز الگوریتم‌ها و کدهای تصحیح خطا را امکان‌پذیر ساخت.
اهداف نزدیک‌مدت شامل ادغام کوبیت‌های بیشتر در آرایههای خطی و دوبعدی، نمایش مکرر دروازه‌های درهم‌تنیدگی با وفاداری بالا، و نشان دادن سازگاری با طرح‌های خوانش چندگانه است. اهداف بلندمدت بر سرهم‌بندی این بلوک‌ها در ماژول‌های مقاوم در برابر خطا که بتوان آنها را روی یک ویفر کاشی‌کاری کرد تمرکز دارند.
نتیجه‌گیری
نمایش UNSW که نشان می‌دهد الکترونها میتوانند درهم‌تنیدگی میان اسپینهای هستهای را در فواصل مقیاسپذیر سیلیکون واسطه‌گری کنند، یک پیشرفت فنی معنادار برای محاسبات کوانتومی است. با ترکیب همدوسی طولانی کوبیت‌های اسپین هستهای و اتصال میانجیشده توسط الکترون که از نظر الکتریکی کنترل میشود، پژوهشگران نقشهٔ راهی برای ساخت پردازندههای کوانتومی ارائه می‌دهند که هم عملکرد بالا دارند و هم با تولیدات نیمههادی موجود سازگارند. این آزمایش یک شکاف بزرگ بین نمایش‌های آزمایشگاهی از همدوسی استثنایی کوبیت و مهندسی عملی مورد نیاز برای سامانه‌های کوانتومی در ابعاد بزرگتر را کاهش می‌دهد. کارهای بعدی روی گسترش تعداد کوبیت‌های جفت‌شده، کاهش نرخ خطا در عملیات چندکوبیتی و ادغام این عناصر در معماری‌هایی مناسب برای محاسبات کوانتومی مقاوم در برابر خطا متمرکز خواهد بود.
منبع: sciencedaily
نظرات