اطلاعات کوانتومی/نقطه‌های کوانتومی
| سیر تحول تاریخی کامپیوترهای کوانتومی | نقطه‌های کوانتومی | نتیجه‌گیری |
نسل آتی کامپیوترهای سریع و پرتوان کوانتومی یک گام دیگر به واقعیت نزدیک شدند. با برقراری پیوندی میان یک جفت چاه کوچک که حاوی تعدادی الکترون بود، نوعی ترانزیستور کوانتومی ساخته شد. این نوع ترانزیستورها به عنوان سوئیچینگ اصلی در تراشه‌های کامپیوتری به کار می‌روند. محققان این چاه‌های کوچک حاوی الکترون را نقطه‌های کوانتومی می‌نامند.
کامپیوترهای نسل بعدی برای ذخیره کردن اطلاعات و تحلیل داده‌های دیجیتالی از نقطه‌های کوانتومی استفاده خواهند کرد و با این تکنیک گوی سبقت را از کامپیوترهای امروزی خواهند ربود. برتری این نوع کامپیوترها هم به خاطر حجم بسیار کوچک ترانزیستورها و هم به خاطر توان محاسباتی بسیار بالای آنها خواهد بود. این قابلیت‌ها باعث خواهند شد توان محاسباتی کامپیوترهای آتی صدها برابر کامپیوترهای فعلی باشد.
با این روش امید به دستیابی محاسبات کوانتومی تقویت شده است. پروفسور آلبرت چنگ (Albert Chang) از دانشگاه پوردو می‌گوید: ما بر این باور هستیم که تحقیق حاضر می‌تواند امکان استفاده تعداد بسیار زیادی نقطه کوانتومی را به صورت گروهی، فراهم آورد. استفاده از این تکنیک در صورتی که بخواهیم از نقطه‌های کوانتومی به عنوان حافظه کامپیوتر بهره بگیریم، ضروری است. در صورت استفاده از کامپیوترهای کوانتومی در تجارت، امنیت بهتر تضمین می‌شود و اطلاعات سری به نحو بهتری محافظت می‌شوند.
در زمینه علم نیز تحقق این امر به منزله پیدا کردن رابطه میان فیزیک کلاسیک و فیزیک کوانتومی است. فیزیک کلاسیک محدوده‌ای را شامل می‌شود که با چشم قابل رویت است اما قوانین فیزیک کوانتوم بر دنیای بسیار ریز داخل اتم حکمرانی می‌کنند. گزارش کامل این تحقیق سی ام آوریل در نشریه فیزیکال ریویو لترز آمده است. روز به روز که تراشه‌های کامپیوتری کوچکتر می‌شوند، سازندگانی می‌توانند در صحنه رقابت پیروز شوند که از سوئیچ‌های کوچکتری روی تراشه‌ها استفاده کنند.
این نوع کلیدها در کامپیوترهای فعلی در دو حالت خاموش یا روشن (صفر و یک) قرار می‌گیرند و در اصطلاح به سیستم دوتایی (بیت) معروف هستند. اندازه بیت‌ها حد خاصی ندارند و این امکان وجود دارد که اندازه آنها تا حد یک مولکول کوچک شود. در این وضعیت و در چنین ابعاد کوچکی دیگر قوانین فیزیک کلاسیک راهگشا نیستند و باید از قوانین حاکم بر دنیای ذرات داخل اتم استفاده کرد. البته این قوانین در بعضی موارد نتایج عجیبی به همراه دارند. به عنوان مثال الکترونی را تصور کنید که در یک لحظه هم می‌تواند مانند ذره رفتار کند و می‌تواند در همان لحظه خاصیت موجی نیز داشته باشد و در یک لحظه در هر دو قالب مشاهده شود. فیزیکدانان برای توصیف این نوع پدیده‌های دوگانه از مفاهیم جدید و گوناگونی استفاده می‌کنند. مفهومی که در این مورد غالباً استفاده می‌شود اسپین الکترون است که می‌توان تا حدی آن را شبیه اسپین محوری کره زمین در نظر گرفت. با وجود اسپین، هنگامی که الکترون‌ها کنار هم قرار می‌گیرند باید ترتیب خاصی را رعایت کنند و هنگامی که دو الکترون می‌خواهند یک ناحیه از فضا را اشغال کنند باید اسپین مخالف هم داشته باشند.
در این حالت اگر یکی از الکترون‌ها اسپین در جهت بالا داشته باشد الکترون دوم اسپین پایین دارد. اسپین الکترون یکی از مفاهیمی است که فیزیکدانان در تلاش هستند در حافظه کامپیوترها از آن استفاده کنند. محققان در این آزمایش پس از به دام انداختن ۴۰ تا ۶۰ جفت الکترون در چاهی که در داخل نیمه رسانایی از جنس گالیم آرسنید و آلومینیوم گالیم آرسنید بود، تک الکترون جفت نشده‌ای را به مجموعه اضافه کردند. این الکترون اضافی باعث شد که تمام مجموعه چاه که محققان به آن نقطه کوانتومی می‌گویند، اسپین خالص بالا یا پایین داشته باشد. محققان نقطه کوانتومی دیگری را نیز به همین ترتیب ایجاد کردند.
تا زمانی که این دو مجموعه نسبت به هم ایزوله بودند هیچ جفت شدگی میان دو نقطه کوانتومی مشاهده نمی‌شد. اما هنگامی که از روش خاص کوک کردن استفاده شد دو نقطه کوانتومی با وجود آنکه اسپین مشابه هم داشتند از طریق الکترون‌های منفرد باهم مقید شدند و رفتار آنها به گونه‌ای بود که نشان می‌داد از وجود همدیگر تأثیر می‌پذیرند. اعضای تیم از دروازه‌های خاصی برای به دام انداختن تک تک الکترون‌ها استفاده کردند و با تنظیم بسیار دقیق الکترونیکی، دو نقطه را نسبت به هم مقید کردند. با استفاده از این نوع دروازه‌ها امکان کنترل برهمکنش میان دو نقطه میسر شد. ترکیب دو نقطه کوانتومی به گونه‌ای عمل می‌کرد که در یک لحظه هم اسپین بالا و هم اسپین پایین مشاهده می‌شد.
در هر نقطه کوانتومی اسپین بالا یا پایین در واقع بیانگر بیت صفر یا یک کوانتومی است که در اصطلاح کیوبیت نامیده می‌شود و می‌توان از آن در تراشه‌های کامپیوتری استفاده کرد. همین مقید شدن دو نقطه نسبت به هم است که باعث می‌شود کامپیوترهای کوانتومی توان محاسباتی بسیار بالایی داشته باشند، چرا که در یک پیکربندی از دو نقطه کوانتومی این امکان فراهم است که در یک لحظه هر دو حالت اسپینی همزمان وجود داشته باشند. در واقع به این ترتیب سوئیچ‌هایی درست شده‌اند که همزمان خاموش و روشن هستند؛ و این خصوصیت ویژه در کامپیوترهای فعلی وجود ندارد. گروه‌های بزرگی از کیوبیت‌ها می‌توانند در حل مشکلاتی که هزاران راه حل بالقوه برای آنها وجود دارد، به کار آیند. یکی از این مشکلات فاکتور دیگری از اعداد بسیار بزرگ است که در مخفی کردن اطلاعات مورد استفاده قرار می‌گیرد.
در یک کامپیوتر خانگی کارهایی که باید توسط کامپیوتر انجام شود یک به یک به دنبال هم به صورت سری و البته به سرعت انجام می‌شوند. اما اگر بتوان تمام کارها را به صورت موازی با هم انجام داد و نه به صورت سری مراحل محاسبات بسیار سریع تر به پایان می‌رسد. در حل مشکلات مربوط به فاکتورگیری از اعداد بزرگ حل کردن بعضی از مسائل با کامپیوترهای فعلی ممکن است صدها سال طول بکشد. اما کامپیوترهای کوانتومی به علت دارا بودن بیت‌هایی که همزمان بر هر دو حالت ممکن قرار می‌گیرند می‌توانند بسیاری از محاسبات را همزمان انجام دهند. با این روش امکان انجام محاسبات بزرگ در چند ساعت فراهم می‌شود و نیازی به سپری شدن یک دوره زندگی نیست. البته شاید این سئوال پیش بیاید که چرا در دنیای فیزیک دو نوع قانون داریم، باید گفت که در دنیای روزمره ما نیز همینگونه است گاهی به مرزهایی می‌رسیم که بعد از آن قوانین تغییر می‌کنند در فیزیک نیز همینگونه است اما مرزهای فیزیکی محدوده اتم‌ها را شامل می‌شوند.
از آنجا که کامپیوتر کوانتومی تمامی کیوبیت‌هایش را برای تطبیق دادن با روش کوانتومی نیاز خواهد داشت، پردازشگر این کامپیوتر به عنوان آزمایشگاهی برای کاوش دنیای کوانتومی عمل خواهد کرد. فیزیکدانان استفاده از کامپیوترهای کوانتومی را تنها در توان محاسباتی بالای آنها خلاصه نمی‌کنند. بلکه عقیده دارند که این قبیل کامپیوترها وابستگی کوانتومی را نیز نشان خواهند داد. قطعاتی که کامپیوترها از آن ساخته می‌شوند، اجزایی در مقیاس بزرگ هستند اما اگر حافظه کامپیوتر کوانتومی باشد رفتاری متفاوت با کامپیوترهای کلاسیکی خواهند داشت. هنگامی که سیستم‌های کوانتومی با دنیای کلاسیکی ارتباط برقرار می‌کنند معمولاً وابستگی کوانتومی خود را از دست می‌دهند و به حالت کلاسیکی گرایش پیدا می‌کنند. اما در این تحقیق نقطه‌های کوانتومی ایجاد شده وابستگی کوانتومی را به مدت زیادی حفظ کردند. این روش در واقع ایجاد سیستمی در مقیاس بزرگ است. با این قابلیت که همزمان مانند ذره و موج عمل می‌کند. این سیستم‌ها می‌توانند پنجره‌ای به دنیایی باشند که کاوش در آنها با روش‌های معمول میسر نیست.
البته نقطه‌های کوانتومی ساخته شده، خیلی هم بزرگ نبودند و طول هر نقطه کوانتومی تنها ۲۰۰ نانومتر بود. البته کیوبیت‌ها قبلاً به روش‌های دیگری نیز ایجاد شده بودند اما چنگ می‌گوید: کیوبیت‌هایی که اخیراً ساخته شدند این قابلیت را نشان دادند که می‌توان از آنها به صورت گروهی استفاده کرد و سیستم‌هایی با مقیاس بزرگ ساخت که بتوانند هماهنگ با هم کار کنند. هرچند تحقیقات انجام شده یک آزمایش فیزیکی بودند اما برای اولین بار نشان داده شد که دو نقطه کوانتومی با هم مقید می‌شوند و امکان کنترل برهمکنش دو نقطه با دقت بالا میسر است. نتایج این تحقیق باعث این امیدواری شد که طی دهه آینده پیشرفت علمی زیادی در این زمینه حاصل خواهد شد.