در سال ۲۰۱۶ جایزه نوبل فیزیک به سه فیزیکدان بریتانیایی به خاطر فعالیت بر روی ابررساناها و ابرشاره‌ها (سوپر فلوئیدها) اهدا شد. مطالعه این سه نفر منجر به شناخت یک فاز و حالت جدیدی از ماده شده بود. اکنون کشف آنها یک دستاورد عملی دارد؛ با استفاده از این حالت، می‌توان اندازه قطعه الکتریکی را بسیار کوچک کرد که این امر می‌تواند در ساخت یک کامپیوتر کوانتومی بسیار مفید باشد.

گروهی از دانشمندان دانشگاه سیدنی با همکاری مایکروسافت و دانشگاه استنفورد ایالات‌متحده آمریکا با استفاده از این حالت ماده که به نام عایق توپولوژیکی (topological insulator) شناخته می‌شود، توانستند یک قطعه الکتریکی به نام سرکیولیتور (Circulator) را به اندازه هزار بار کوچک‌تر کنند. این امر بدان معناست که تعداد بیشتری کیو بیت (کیو بیت مشابه با بیت در کامپیوتر کلاسیک، همان کوچک‌ترین واحد ذخیره اطلاعات در کامپیوتر کوانتومی است. کیو بیت یک سیستم کوانتومی دوحالتی است، مانند جهت قطبش یک فوتون که می‌تواند (به‌طور مثال) افقی یا عمودی در نظر گرفته شود.) می‌تواند در یک فضای کم جای گیرد.

کشفی که در سال ۲۰۱۶ این تیم سه‌نفره بریتانیای کرده بودند، این بود که تحت یک شرایط خاص، بعضی از مواد به‌راحتی می‌توانند الکترون را از سطح خود عبور دهند و درعین‌حال یک عایق الکتریکی نیز باشند! این دستاورد آنها همان‌گونه که بالاتر اشاره شد، منجر به دریافت جایزه نوبل گردید.

البته یک کشف بسیار مهم دیگر این بود که این مواد می‌توانند بدون شکستن تقارن ساختاری، بین حالت‌های ماده گذار داشته باشند. به‌عنوان یک مثال از شکست تقارن ساختار ماده، آب را در نظر بگیرید که در هنگام تبدیل به یخ یا بخار، تقارن ساختار اتمی‌اش شکسته می‌شود.

هنگامی‌که یک قطعه الکتریکی عملا در ابعاد و اندازه‌های اتمی ساخته شود، نحوه حرکت الکترون‌ها در ابعاد مختلف به طرز شگفت‌انگیزی مهم خواهد بود. در داخل یک کیو بیت، محاسبات توسط رفتار احتمالاتی ذرات کوانتومی انجام می‌شود که یک کامپیوتر کلاسیک هرگز قادر به انجام آن نیست. ساختن کیو بیت‌ها روش‌های بسیار متفاوتی دارد و اگر آنها را در کنار هم به‌صورت یک زنجیره قرار دهیم، بسیار کاربرد بهتری خواهند داشت. اما همواره کوچک کردن کیو بیت به‌اندازه‌ای که بتوان صدها عدد از آن را در داخل یک فضای کوچک قرار داد، کاری بسیار دشوار بوده است.

دیوید ریلی (David Reilly)، فیزیکدان دانشگاه سیدنی و رئیس بخش Q (کوانتومی) مایکروسافت می‌گوید:

حتی اگر اکنون میلیون‌ها کیو بیت داشته باشیم، همچنان مشخص نیست که تکنولوژی کلاسیک لازم برای کنترل آنها را نیز در اختیار داریم یا خیر.

تحقق ساخت یک کامپیوتر کوانتومی مدرن، نیازمند ابداعات در قطعات جدید میان رابط تکنولوژی‌های کلاسیکی با کوانتومی خواهد بود.

یکی از این قطعات سرکیولیتور است. سرکیولیتور مشابه یک میدان برای سیگنال‌های الکتریکی است که تنها اطلاعات را در یک راستا انتقال می‌دهد. تاکنون بهترین اندازه ساخته‌شده این سخت‌افزار در حدود ابعاد کف دست انسان است.

تحقیقات کنونی این دانشمندان باعث ساخت یک ویفر مغناطیده از یک ماده عایق توپولوژیکی خاص شده که می‌تواند به‌عنوان یک سرکیولیتور عمل کند و البته به‌ اندازه هزار بار کوچک‌تر شود.

آلیس ماهونی (Alice Mahoney)، سرگروه این تیم تحقیقاتی دراین‌باره می‌گوید:

چنین سرکیولیتورهای کوچک، صرف‌نظر از کامپیوتر کوانتومی فعلی که در آن استفاده شده، می‌توانند در تعداد گوناگونی از پلتفرم‌های سخت‌افزاری کوانتومی پیاده‌سازی شوند.

بیشتر فعالیت‌های کنونی درزمینه کامپیوترهای کوانتومی مربوط به ساخت لوله پیش از ایجاد خلأ و نوار مغناطیسی می‌شوند که البته تحولات بسیار مفیدی در این زمینه‌ها نیز صورت گرفته است. اما اگر پیشرفت‌های چشمگیر دیگری مانند تولید همین قطعات کوچک را داشته باشیم، قطعا فاصله زیادی تا ساخت و ارایه یک کامپیوتر کوانتومی به صورتی که بهترین سوپر کامپیوترهای کنونی نیز در حد و اندازه‌های آن نباشند، نخواهیم داشت.

قطعا کامپیوترهای کوانتومی یکی از بزرگ‌ترین تحولات دنیای تکنولوژی در قرن ۲۱ خواهند بود.

نوشته گام بلند فیزیکدانان در جهت ساخت کامپیوتر کوانتومی اولین بار در وب‌سایت فناوری پدیدار شد.

به تازگی یک ابرکامپیوتر موفق شده تا وزن نخستین کاندیدای اسرار آمیز ترین ماده جهان را مشخص کند. این ماده ۱۰ میلیارد مرتبه سبک تر از یک الکترون است.

گویا آی تی – تقریباً ۹۵ درصد از هستی و هر چیز درون آن از ماده تاریک و انرژی تاریک ساخته شده اند – چیزهایی که باید در حالت استاندارد فیزیکی باشند تا قابل درک باشند، اما هیچ کس نمی داند آنها واقعاً چه هستند.
اما یک ابرکامپیوتر شاید بداند، زیرا دانشمندان به تازگی از یکی از این ابرکامپیوترها استفاده کرده اند تا یک طرح کلی از ذراتی که می توانند ماده تاریک را شکل دهند ترسیم کنند و برای اولین بار این ابرکامپیوتر توانست وزن یک اکسیون (axion) را پیش بینی کند – اکسیون یک ذره فرضی است که کاندیدای نخست ماده گمشده در جهان محسوب می شود.
در نهایت دانشمندان از وزن تخمین زده شده اخیر یک اکسیون – ۱۰ میلیارد بار سبک تر از یک الکترون – می توانند در جستجوی یک کاندیدا برای ماده تاریک استفاده کنند و پژوهشگران می گویند آن حتی می تواند به ما کمک کند تا شواهد آشکاری از آن را شناسایی کنیم.
آندرآس رینگ والد، یکی از اعضای تیم تحقیق از مرکز ملی پژوهش (DESY) در آلمان می گوید، ” دانستن این که ما در جستجوی چه نوع جسمی هستیم، می تواند برای یافتن این نوع شواهد بسیار مفید باشد. در غیر این صورت این جستجو می تواند دها سال طول بکشد، زیرا مجبور هستیم تا گستره بسیار وسیعی را بررسی کنیم. ”
رینگ والد و همکارانش تصمیم گرفتند تا بر روی اکسیون ها متمرکز شوند، زیرا آنها یکی از کاندیداهای نخست ماده تاریک هستند که هنوز باید از اسرار آنها پرده گشایی شود.
تصور بر این است که شکل ناشناخته ماده در هستی می تواند یا از چند ذره بسیار سنگین ساخته شده باشد و یا از ذرات بسیار سبک فراوان تشکیل شده باشد و اکسیون ها در دسته دوم قرار می گیرند.
فرض بر این است که اکسیون ها ذراتی با جرم پایین و با حرکت آرام باشند که هیچ باری ندارند و تعامل ضعیفی با ماده های دیگر برقرار می کنند.
این مسئله شناسایی آنها را دشوار می کند، اما با در نظر گرفتن این حقیقت که آنها ممکن است با ماده دیگری تعامل داشته باشند مسلماً باید ما را قادر سازد تا با استفاده از تجهیزات مناسب آنها را شناسایی کنیم – اگر بدانیم که باید به کجا نگاه کنیم.
اکسیون ها به عنوان کاندیدای نخست ماده تاریک شناخته می شوند به لطف گسترش کرومودینامیک کوانتومی، که یک تئوری کوانتومی است و تصور می شود نیروی قدرتمند اتمی را کنترل می کند – که یکی از چهار نیروی بنیادین جهان هستی است.
کرومودینامیک کوانتومی وجود یک ذره با تعامل بسیار پایین را پیش بینی کرده است که جرم آن به قدرت نوسانات کوانتومی در ساختار فضا – زمان بستگی دارد. اگر شما فکر می کنید که این مبهم به نظر می رسد و همانند یافتن سوزن در انبار کاه در مقیاس کوانتومی است، کاملاً درست فکر می کنید.
در این جا است که ابرکامپیوتر JUQUEEN (BlueGene/Q) در آلمان وارد بازی می شود. تیم تحقیقی نیازمند چیزی بود که بتواند تعداد متغیرهای بی شمار و دیوانه کننده مورد نیاز برای تشریح یک اکسیون را مدیریت کند.
این کامپیوتر پیش بینی کرد که اگر اکسیون ها واقعاً حجم عمده ماده تاریک را تشکیل داده باشند، آنها باید حجمی برابر با ۵۰ تا ۱۵۰۰ میکروالکترون ولت داشته باشند، که آنها را ۱۰ میلیارد مرتبه سبک تر از یک الکترون می کند.
این بدین معناست که اگر ماده به طور مساوی در هستی پراکنده شده بود، هر سانتیمتر مکعب از هستی به طور میانگین حاوی ۱۰ میلیون اکسیون می بود.
اما به نظر نمی رسد که ماده تاریک به طور مساوی در هستی پراکنده شده باشد – آن به صورت توده ای وجود دارد، مانند این کهکشان، که دارای ۹۹٫۹۹ درصد ماده تاریک است. این یعنی این که کهکشان راه شیری ما محتوی رقم بسیار بزرگ یک تریلیون اکسیون در هر سانتیمتر مکعب است.
پژوهشگران امیدوارند اکنون که محدوده جستجو را کم کرده اند علم فیزیک بتواند وجود یا عدم وجود اکسیون ها را یک بار برای همیشه اثبات کند.
زولتان فودور، یکی از اعضای گروه تحقیقاتی از دانشگاه Wuppertal آلمان می گوید، ” نتایجی که ما ارائه می کنیم احتمالاً به رقابت برای کشف این ذرات منجر خواهد شد. ”

این پژوهش در سایت Nature منتشر شده است.