محاسبات کوانتومی یکی از هیجان‌انگیزترین حوزه‌های فناوری مدرن است و برخلاف رایانه‌های معمولی که از بیت‌ها برای ذخیره اطلاعات به صورت صفر یا یک استفاده می‌کنند، رایانه‌های کوانتومی بر کیوبیت‌ها تکیه می‌کنند که به کمک خاصیتی به نام برهم‌نهی یا همزمانی می‌توانند همزمان صفر، یک یا هر ۲ باشند. این عملکرد به رایانه‌های کوانتومی اجازه می‌دهد تا عملکردهایی که در رایانه‌های معمولی سال‌ها یا حتی قرن‌ها طول می‌کشد را تسریع کند. اما ساخت رایانه کوانتومی کار فوق‌العاده چالش‌برانگیز است و در این زمینه نانوفناوری نقش کلیدی ایفا خواهد کرد؛ حوزه‌ای که بر ایجاد و دستکاری مواد در مقیاسی فوق‌العاده کوچک، گاهی به کوچکی اتم‌ها متمرکز است.

نتایج تحقیقات فناوری سایت ساینس نشان داد، نانوفناوری نقش کلیدی در محاسبات کوانتومی دارد زیرا کیوبیت‌ها بسیار ظریف هستند و می‌توانند حالت کوانتومی خود را به دلیل کوچکترین تداخلات مانند ارتعاشات، تغییرات دما یا تداخل الکترومغناطیسی از دست بدهند. برای اینکه رایانه‌های کوانتومی قابل اطمینان‌تر شوند، دانشمندان باید مواد و ساختارهایی ایجاد کنند که بتوانند کیوبیت‌ها را کنترل و محافظت ایجاد کند و فناوری نانو دقت مورد نیاز برای این کار را ارائه کرده است.

یکی از پیشرفت‌ها در این زمینه استفاده از نانومواد مانند گرافن است، ماده‌ای که از یک لایه اتم کربن تشکیل شده است و در الگوی ۶ ضلعی قرار گرفته‌اند. گرافن، فوق‌العاده قوی، سبک و رساناست و این خواص آن را به ماده‌ای ایده‌آل برای ایجاد اجزایی تبدیل می‌کند که می‌توانند با کیوبیت‌ها تعامل داشته باشند.

تحقیقات انجام شده در موسسه ام ای تی در سال ۲۰۲۱ نشان داد که ساختارهای مبتنی بر گرافن می‌توانند با محافظت از کیوبیت‌ها در برابر نویزهای بیرونی، پایداری کیوبیت‌ها را بهبود بخشند. این نوع پیشرفت ما را به ساخت رایانه‌های کوانتومی عملی نزدیکتر می‌کند.

نتایج مقاله «فرصت‌ها و تهدیدات رایانه‌های کوانتومی در نبردهای آینده» منتشرشده در اولین همایش ملی فرماندهی و مدیریت در جنگ‌های آینده (۱۴۰۲) نشان داد، علوم و فناوری‌های کوانتومی به‌طور مستقیم و غیر مستقیم در تمام عرصه‌های نبرد زمینی، هوایی، فضایی، دریایی و سایبری با تاثیرگذاری روی تجهیزات، تسلیحات و سامانه‌های نرم و سخت نظامی موثر و تعیین‌کننده خواهد بود. درنتیجه صنایع دفاعی آینده، بدون بهره‌گیری از این نوع فناوری‌ها نمی‌تواند قدرت رقابت و برتری خود را برای تامین نیازهای دفاعی و نظامی ایفا کند. در این میان رایانه‌های کوانتومی، مهمترین شاخه فناوری کوانتومی، با کارکردهای فراوان در زمینه‌های مختلفی همچون شبیه‌سازی کوانتومی، کشف دارو و مواد جدید، رمزنگاری، بهینه‌سازی و یادگیری ماشین نقش اساسی در نبردهای آینده خواهد داشت.

یکی دیگر از پیشرفت‌های هیجان‌انگیز، استفاده از نانوفناوری برای ایجاد نقاط کوانتومی بهتر این است که ذرات نیمه هادی کوچک می‌توانند به‌عنوان کیوبیت عمل کنند. نقاط کوانتومی را می‌توان دقیقا با استفاده از فناوری نانو مهندسی کرد و این مورد به دانشمندان اجازه می‌دهد اندازه و شکل آنها را برای دستیابی به خواص کوانتومی خاص کنترل کنند.

محققان دانشگاه کپنهاگ نیز در سال ۲۰۲۲ نشان دادند که از نقاط کوانتومی می‌توان برای ایجاد کیوبیت‌هایی با طول عمر بیشتر استفاده کرد، به این معنی که آنها می‌توانند حالت کوانتومی خود را برای دوره‌های طولانی‌تری حفظ کنند که گامی حیاتی به سمت ساخت رایانه‌های کوانتومی است که می‌توانند محاسبات پیچیده را انجام دهند.

فناوری نانو همچنین به سیستم‌های خنک‌کننده مورد نیاز برای رایانه‌های کوانتومی کمک می‌کند زیرا کیوبیت‌ها برای عملکرد صحیح باید در دمای بسیار پایین، اغلب نزدیک به صفر مطلق، کار کنند.

نانوساختارهای جدیدی برای بهبود کارایی سیستم‌های خنک‌کننده، کاهش میزان انرژی مورد نیاز برای حفظ این شرایط سرد در حال توسعه هستند. به‌عنوان مثال، نتایج تحقیق منتشرشده در سال ۲۰۲۳ از دانشگاه استنفورد، دستگاه خنک‌کننده‌ای در مقیاس نانو را معرفی کرد که می‌تواند دمای عملیاتی تراشه‌های کوانتومی را به‌طور موثرتری کاهش دهد و محاسبات کوانتومی را از نظر انرژی کارآمدتر کند.

فراتر از سخت‌افزار، فناوری نانو باعث پیشرفت در ارتباطات کوانتومی می‌شود، حوزه‌ای که ارتباط نزدیکی با محاسبات کوانتومی دارد. دانشمندان با ایجاد دستگاه‌هایی در مقیاس نانو که می‌توانند سیگنال‌های کوانتومی را تولید و شناسایی کنند، به سمت ایجاد شبکه‌های ارتباطی امن بر اساس اصول کوانتومی کار می‌کنند. این شبکه‌ها می‌توانند روزی به رایانه‌های کوانتومی اجازه دهند تا اطلاعات را در فواصل بسیار زیاد بدون خطر هک شدن به اشتراک بگذارند.

با وجود این دستاوردهای چشمگیر، چالش‌ها همچنان باقی است زیرا ساخت رایانه‌های کوانتومی با میلیون‌ها کیوبیت که برای حل مسائل دنیای واقعی لازم است به دقت بیشتری در فناوری نانو نیاز دارد. محققان همچنین در تلاش هستند تا محاسبات کوانتومی را مقرون‌به‌صرفه‌تر کنند، زیرا در حال حاضر مواد و تکنیک‌های مربوطه گران و پیچیده هستند.

پتانسیل نانوفناوری در محاسبات کوانتومی بسیار زیاد است. فناوری نانو با امکان کنترل دقیق بر مواد و دستگاه‌ها در سطح اتمی، به دانشمندان کمک می‌کند تا بر موانع ساخت رایانه‌های کوانتومی عملی غلبه کنند. این ماشین‌ها می‌توانند زمینه‌هایی مانند پزشکی، رمزنگاری، هوش مصنوعی و مدل‌سازی آب‌وهوا را متحول و مشکلاتی را حل کنند که در حال حاضر حتی برای قدرتمندترین ابررایانه‌ها هم دور از دسترس هستند.

ترکیبی از فناوری نانو و محاسبات کوانتومی نشان‌دهنده دیدار دو زمینه پیشگامانه است که هر کدام پتانسیل دیگری را تقویت می‌کنند. در حالی که ما هنوز در مراحل اولیه این سفر هستیم، پیشرفت‌های انجام شده نشان می‌دهد که آینده محاسبات کوچک‌تر، سریع‌تر و هوشمندتر از هر چیزی که قبلا دیده‌ایم خواهد بود.

در مقاله «رایانه‌های کوانتومی، مبانی و کاربردها» منتشرشده در اولین همایش ملی علوم و فناوری های نوظهور و شالوده شکن در حوزه دفاعی (۱۴۰۳) آمده است که رایانه‌های کوانتومی با بهره‌گیری از ویژگی‌های فیزیک کوانتوم قادر به حل مسائلی هستند که رایانه‌های مرسوم از حل آن عاجز هستند. با ظهور رایانه‌های کوانتومی معادلات حاکم بر زمینه‌های علمی و صنعتی تغییر خواهد کرد و ساختار جدیدی پدید خواهد آمد. کاربردهای رایانه‌های کوانتومی شامل همه چیز از مسائل ریاضیات، فیزیک و شیمی تا مسائل نظامی است.

انتهای پیام