تحول بزرگ در دنیای سخت‌ افزار: ادغام رایانش کوانتومی و کلاسیک در یک تراشه واحد

محققان بر این باورند که با استفاده از رویکرد جدید خود، می‌توانند ۲۵ میلیون «اتصال جوزفسون» (Josephson junctions) — که یکی از اجزای حیاتی برای رایانش کوانتومی محسوب می‌شود — را تنها روی یک ویفر دو اینچی جای دهند.

به گزارش بخش اخبار فناوری زوم تک به نقل از Live Science، در عصر دیجیتال امروز، سیلیکون حرف اول را می‌زند. اما مانند سایر نیمه‌ هادی‌ هایی که به طور گسترده در صنعت استفاده می‌شوند، اغلب مقادیر ناچیزی از عناصر دیگر به سیلیکون اضافه می‌شود تا رفتار الکترونیکی آن تحت تأثیر قرار گیرد؛ فرآیندی که به عنوان «دوپینگ» یا افزودن ناخالصی شناخته می‌شود. اکنون، دانشمندان این فرآیند را به سطح جدیدی ارتقا داده‌اند و یک اتم از هر هشت اتم موجود در ژرمانیوم (یک نیمه‌ هادی شبیه به سیلیکون) را با گالیومِ ابررسانا جایگزین کرده‌اند. نتیجه این کار، شکل‌گیری یک ابررسانای جدید است که می‌تواند برای فناوری‌ هایی نظیر رایانش کوانتومی و حسگرها مورد استفاده قرار گیرد.

روش نوین «دوپینگ» اتمی و خلق ابررسانای جدید

اگرچه سیلیکون در نوبت بعدی برای آزمایش این رویکرد قرار دارد، اما ژرمانیوم در حال حاضر به طور گسترده در صنعت استفاده می‌شود و سازگاری فوق‌العاده‌ای با سیلیکون دارد. محققان جزئیات رویکرد خود را در مطالعه جدیدی که ۳۰ اکتبر در ژورنال معتبر Nature Nanotechnology منتشر شد، شرح دادند.

جواد شبانی، یکی از نویسندگان این مطالعه و استاد فیزیک در دانشگاه نیویورک (NYU)، در گفتگو با لایو ساینس گفت: «فکر می‌کنم دلایل زیادی برای هیجان‌زده بودن در مورد این موضوع وجود دارد.»

چالش‌ های تاریخی و راه‌ حل نهایی: برآرایی باریکه مولکولی

ایده‌ی افزودن ناخالصی به یک نیمه‌هادی تا حدی که آن را ابررسانا کند، اولین بار در سال ۱۹۶۴ توسط ماروین کوهن، استاد ممتاز دانشگاه کالیفرنیا، برکلی (که در آن زمان در دانشگاه شیکاگو بود) مطرح شد. این ایده در دهه‌های ۲۰۰۰ و ۲۰۱۰ احیا شد؛ زمانی که چندین گروه تلاش کردند سیلیکون و ژرمانیوم را با فلزات ابررسانا بمباران کنند تا ببینند آیا می‌توانند به فاز جدید پیش‌بینی‌شده از نظر تئوری دست یابند یا خیر، اما آن‌ها با مشکلاتی روبرو شدند.

شبانی توضیح داد: «وقتی شما [اتم‌ها را] بمباران می‌کنید، به نوعی ساختار شبکه (Lattice) را تخریب می‌کنید.» او افزود که سپس باید آن را گرم کنید و «بازپخت» (Anneal) نمایید تا آزمایش‌های بیشتری برای بررسی رفتار ابررسانایی انجام دهید؛ بنابراین مشخص نیست که آیا اتم‌های ناخالصی صرفاً جزیره‌ای از مواد ابررسانا تشکیل داده‌اند یا اینکه یک فاز ابررسانای جدید در عنصر بمباران‌شده شکل گرفته است. او و تیمش حتی خودشان این آزمایش‌ها را امتحان کردند. او گفت: «ما فقط به پیچیدگی معما اضافه کردیم.»

پیشرفت نهایی زمانی حاصل شد که آن‌ها به تکنیکی به نام «برآرایی باریکه مولکولی» (Molecular Beam Epitaxy) روی آوردند. در اینجا، آن‌ها کریستال ژرمانیوم را لایه به لایه تولید کردند؛ بدین صورت که سطح را در معرض اتم‌های ژرمانیوم با شرایط و غلظت دقیق اتم‌های گالیوم قرار دادند تا در هر سلول واحد از کریستال، یکی از اتم‌های گالیوم جایگزین یک اتم ژرمانیوم شود.

تأیید دقیق ساختار و ویژگی‌ های شگفت‌ انگیز دمایی

شبانی اشاره کرد که احتمالاً آن‌ها تنها کسانی نبودند که فکر می‌کردند روش برآرایی باریکه مولکولی ارزش امتحان کردن را دارد. با این حال، تلاش‌ها با گمانه‌زنی‌های منفی زیادی دلسرد شده بود؛ گمانه‌زنی‌هایی که نشان می‌داد دوپینگ در سطوح مورد نیاز، بر اساس فرضیاتی شبیه به «محدودیت‌های انحلال‌پذیری»، از نظر فیزیکی امکان‌پذیر نیست. برای مثال، شما می‌توانید شکر را تا حد مشخصی در آب حل کنید، اما پس از رسیدن به حد اشباع، شکر دیگر حل نمی‌شود و به صورت توده جامد باقی می‌ماند. اگر همین استدلال را به دوپینگ تعمیم دهید، ممکن است فکر کنید که فراتر از یک حد خاص، ناخالصی به طور مساوی توزیع نخواهد شد و توده می‌شود.

اما دوپینگ از طریق برآرایی باریکه مولکولی فرآیندی کاملاً متفاوت است — دو ماده با هم لایه‌گذاری می‌شوند — بنابراین توسط چیزی شبیه به محدودیت انحلال‌پذیری محدود نمی‌شود. شبانی با اشاره به اینکه هیچ قانونی نقض نشده است، گفت: «ما فقط در حال اسپری کردن چیزی روی چیز دیگر هستیم.»

برای بررسی آنچه به دست آورده بودند، شبانی و تیمش نمونه‌های خود را برای همکارانشان در دانشگاه کوئینزلند استرالیا فرستادند تا با تجهیزات پیشرفته خود آن‌ها را مشخصه یابی کنند. همانطور که جولیان استیل، محقق دانشگاه کوئینزلند که در آزمایش‌های مشخصه‌یابی کمک کرده بود، اشاره کرد، معمولاً «دقت مورد نیاز» برای مشخصه‌یابی لایه جالب ابررسانا که در عمق توده ژرمانیوم دفن شده است، از نظر تجربی «غیرقابل انجام» است.

استیل در ایمیلی به لایو ساینس گفت: «این ترکیبی خوش‌شانس از لایه‌های کریستالی کاملاً مشخص و اندازه‌گیری‌های بسیار دقیق بود که دست به دست هم دادند تا داده‌هایی با دقت در سطح اتم تولید کنند. نتیجه، تصویری غیرقابل انکار و شفاف از یک ماده کوانتومی جدید و جذاب است.»

محققان همچنین اشاره کردند که دمای گذار ابررسانایی ۳.۵ کلوین (کمی بالاتر از صفر مطلق) بود — دمایی بسیار سرد، اما نه به سردیِ ۱ کلوین که برای دستیابی به ابررسانایی در گالیوم خالص مورد نیاز است. همانطور که شبانی تأکید کرد، به طور معمول انتظار می‌رود دمای گذار حتی پایین‌تر از ابررسانای «والد» (در این مورد گالیوم) باشد. این موضوع سوالات جالبی را مطرح می‌کند که کدام یک از مکانیسم‌های شناخته شده رفتار ابررسانایی در اینجا نقش دارد.

کوهن در ایمیلی گفت: «بسیار رضایت‌بخش است که می‌بینیم تحقیقات در زمینه ابررسانایی در نیمه‌هادی‌های دوپینگ‌شده، که من بیش از شصت سال پیش آغاز کردم، با موفقیت ادامه دارد. معتقدم هنوز چیزهای زیادی برای یادگیری در مورد ابررسانایی از طریق تحقیق بر روی سیستم‌هایی از این دست وجود دارد.»

تراکم فوق‌ العاده: ۲۵ میلیون اتصال جوزفسون در یک ویفر

پیتر جاکوبسون، محقق دانشگاه کوئینزلند که او نیز در آزمایش‌های مشخصه‌یابی کمک کرده بود، به ویژه تحت تأثیر قرار گرفت که «چقدر اعوجاج (Distortion) به وضوح پدیدار شد.»

او اشاره کرد که فاصله اتم‌ها در صفحه هر لایه کریستالیِ رسوب‌گذاری شده، اساساً بدون تغییر نسبت به لایه هسته ژرمانیوم خالص باقی مانده است، اما فاصله عمود بر این صفحه کمی افزایش یافته است؛ دقیقاً همانطور که برای جا دادن اتم‌های گالیومِ کمی بزرگتر انتظار می‌رود. او گفت: «دیدن این رفتار به این وضوح، نشانه‌ای قوی از میزان کمِ بی‌نظمی موجود در این فیلم‌هاست.»

این بی‌نظمی کم، خبر خوبی برای کسانی است که به دنبال «رشد» لایه‌های متناوب از مواد نیمه‌هادی و ابررسانا هستند؛ کاری که پیش از این امکان‌پذیر نبود.

این موضوع تراکم قطعاتی که می‌توان روی یک ویفر به دست آورد را به شدت افزایش می‌دهد، زیرا به این معنی است که می‌توان ساختارها را به صورت توده‌های سه‌بعدی (3D stacks) ساخت. شبانی از مثال «اتصال جوزفسون» استفاده می‌کند — اتصالی از یک ماده غیر ابررسانا که بین مواد ابررسانا در دو طرف ساندویچ شده است. این اتصالات می‌توانند در حسگرهای کوانتومی و برای کیوبیت‌ها (Qubits) در رایانش کوانتومی استفاده شوند.

او گفت: «شما می‌توانید ۲۵ میلیون از این‌ها را روی یک ویفر جای دهید.» او اشاره می‌کند که در حال حاضر هر اتصال جوزفسون حدود یک میلی‌متر اندازه دارد و افزود: «هر کدام از این‌ها می‌تواند یک کیوبیت باشد. می‌تواند یک پیکسل از یک حسگر باشد، درست است؟»

آینده روشن برای رایانش کوانتومی حالت جامد

پایبندی نزدیک به نظم کریستالی منظم ممکن است مزایای بیشتری برای محافظت در برابر «ناهمدوسی» (Decoherence) کیوبیت‌های ابررسانا داشته باشد. وقتی کیوبیت‌ها دچار ناهمدوسی می‌شوند، دیگر قادر به حفظ چندین مقدار به طور همزمان نیستند و روی یک مقدار قطعی ثابت می‌شوند و اساساً بدون مزیت رفتار کوانتومی، مانند یک بیت کلاسیک پاسخ می‌دهند.

این موضوع یک معضل بزرگ در تلاش‌ها به سمت رایانش کوانتومی است، اما پیشنهاد شده است که بخشی از این ناهمدوسی ممکن است با ویژگی‌های آمورف (بی‌شکل) در مواد مورد استفاده مرتبط باشد. آزمایش‌های بیشتری برای تأیید نیاز است، اما بلورینگیِ بهبود یافته در این ساختارهای ژرمانیومِ دوپینگ‌شده با گالیوم (به روش MBE) ممکن است به کیوبیت‌ها کمک کند تا در برابر ناهمدوسی مقاوم‌تر باشند.

آنچه کاملاً واضح است، مزیت بالقوه استفاده از روش‌های ساختی است که در حال حاضر برای تولید پردازنده‌ها و دستگاه‌های کامپیوتری نیمه‌هادی ژرمانیوم و سیلیکون وجود دارد.

شبانی گفت: «شما یک زیرساخت تریلیون دلاری سیلیکون-ژرمانیوم دارید که اکنون می‌تواند از ابررسانایی به عنوان یک آیتم جدید در جعبه ابزار خود استفاده کند. این می‌تواند واقعاً به رایانش کوانتومی حالت جامد (Solid-state) کمک کند — جدول زمانی [برای دستیابی به آن] واقعاً می‌تواند کوتاه‌تر شود.»