22 مهر 1383- فيزيكدانان دانشگاه پوردو موفق به ساخت يكي از اجزاي مهم و حياتي در توسعه رایانه‌هاي كوانتومي و ابزارهاي اسپينترونيكي شده‌اند و به اين ترتيب تحقيقات مربوط به رمزنگاري1 و پايگاه داده‌هاي سرعت بالا را يك مرحله ديگر جلو برده‌اند.
اين محققان دستگاهي را ساخته‌اند كه به طرز مؤثري مي‌تواند جريان ذرات كوانتومي نظير الكترون را برحسب اسپين آنها به دو جريان تبديل نمايد به‌طوري كه ذرات با اسپين پايين به يك سمت و ذرات با اسپین بالا به سمت ديگر بروند. به اين ترتیب اين ابزار ريز مي‌تواند به جزء اساسي رایانه‌هاي كوانتومي كه هنوز از مرحلة طراحي فراتر نرفته‌اند، تبديل شود. اين قبيل رایانه‌ها به دليل توانايي فوق‌العاده‌اي كه ادعا مي‌شود در زمينه رمزگشايي و جستجوي وسيع در پايگاه‌هاي داده دارند، بسيار مورد توجه مي‌باشند.
راكهينسون، استاديار فيزيك دانشكدة علوم پوردو و يکي از اعضاي اين گروه مي‌گويد: " ما براي اولين بار موفق شديم اين جداسازي اسپيني را در مورد حفره‌هاي موجود در تركيبات آرسنيد گاليم انجام دهيم. حفره‌ها فضاهايي خالي مي‌باشند كه الكترون‌ها با حركت خود درون نيمه‌هادي به جا مي‌گذارند. به اين حفره‌ها درست همانند ذرات واقعي، خاصيت اسپيني نسبت داده مي‌شود و جداسازي آنها بر اساس نوع اسپين، كاري بزرگ به شمار مي‌آيد و در موفقيت هر نوع ابزار الكترونيكي اسپيني از اهميت ويژه‌اي بر خورداراست. به عبارت ديگر اين روش جداسازي يكي از حلقه‌هاي گم شده براي توسعه رایانه‌هاي كوانتومي و ساير دستگاه‌هاي با حافظة غير فرار است."
لازم به ذكر است كه گزارش كامل اين تحقيق در شمارة اخير مجلة Physics Review Letters به چاپ رسيده است.
با وجود آنكه رایانه‌هاي كوانتومي همچنان درمراحل اوليه توسعه خود مي‌باشند اما به لحاظ قابليتي كه در حل مسائل پيچيده در رمزنگاري و جستجوي پايگاه‌هاي اطلاعاتي دارند و مي‌توان آنها را به اين منظور برنامه‌ريزي نمود، بسيار مورد توجه‌اند. البته براي اين قبيل مسائل راه‌حل‌هاي احتمالي متعددي وجود دارد كه اغلب نادرست بوده و بايد از مجموعه جواب‌ها حذف شوند.
همين كار حتی اگر توسط سریع‌ترین رایانه‌هاي امروزي انجام شود مدت بسیار زيادي وقت مي‌برد، چرا كه اين رایانه‌ها نمي‌توانند در آن واحد به بررسي بيش از يك راه حل بپردازند؛ كاري كه رایانه‌هاي كوانتومي از لحاظ نظري قادر به انجام آن مي‌باشند و دانشمندان آن را پردازش موازي نامگذاري كرده‌اند.
 

گفته مي‌شود علت اين پديده خاصيت فيزيكي غيرعادي ذرات كوانتومي است. به‌عنوان مثال دو الكترون با اسپين مخالف طوري كنار هم قرار مي‌گيرند كه هر تأثيري كه در يكي از آنها ايجاد شود بر ديگري نيز تأثير گذارد. نكته جالب آنكه حتي اگر اين دو ذره به فاصله بسيار زيادي از هم قرار داشته باشند، باز چنين خاصيتي را از خود نشان مي‌دهند. اسپين‌‌‌های مخصوص اين دو ذره در عين مخالف بودن، از هم تفكيك ناپذير بوده و به آنها اجازه می‌دهد يك بيت كوانتومي يا همان كوبيت تشكيل دهند. اين كوبيت‌ها در آن واحد مي‌توانند به حالت خاموش يا روشن و يا در محاسبات، هم صفر و هم يك باشند. از اين خاصيت در مقياسي بزرگ‌تر در تراشه‌هاي رایانه‌اي استفاده مي‌شود كه مي‌تواند ابزاري قدرتمند جهت بررسي اطلاعات به شمار آيد.
اما مشكلي كه وجود دارد آن است كه پس از انجام محاسبات لازم براي استخراج اطلاعات مفيد اين كوبيت‌ها، بايد راهي براي اندازه‌گيري حالت كوانتومي نهايي آنها پيدا شود و اين تنها وقتي امكانپذير است كه آنها را از هم جدا کنيم تا نتيجه محاسبات به دست آيد.
برخي دلايل مشكل بودن اين كار، به جفت‌شدگي بسيار ضعيف اسپين‌ها در محيط نيمه رسانا مربوط مي‌شود كه تريليون‌ها مرتبه ضعيف‌تر از جفت‌شدگي بارهاي الكتريكي است. علاوه بر آن اسپين‌ها تأثيرپذيري كمتري از موارد مجاور خود دارند.
در عمل، انجام اين كار به معناي آن است كه شما بتوانيد بدون آنكه ذره احساس كند آن را وادار به تغيير سريع جهت اسپين خود از پايين به بالا نماييد. محققان به اين منظور تمامي راه‌هاي ممكن، استفاده از امواج نوري تا ميدان‌هاي مغناطيسي قوي، را آزموده اما به نتيجه دلخواه دست نيافته‌اند. در عين حال تيم تحقيقاتي راكهينسون دريافت كه نيمه رساناي ساخته شده از آرسنيد گاليوم بسيار خالص كه بين لايه‌هاي آرسنيد آلومينيم گاليوم قرار داده شده بطور طبيعي داراي خاصيتي است كه اگر مهار شود مي‌توان به كمك آن، فضاهاي كوانتومي يا همان حفره‌ها را بر حسب حالت اسپيني آنها به دو جهت متفاوت راند.
اگر چه ممكن است نامعقول به نظر برسد، اما حفره‌ها هم داراي حالت اسپيني مي‌باشند. البته در واقع چنين نيست و نسبت دادن اسپين به آنها تنها به منظور كمك به فيزيكدان‌ها است تا بتوانند تصوري از آنچه كه مي‌گذرد، داشته باشند. مثلاً در جريان عبوري از يك سيم مسي، گويا الكترون‌ها از حفره‌هاي اربيتالي يك اتم مس به اتم ديگر مي‌پرند. همچنين مي‌توان اين حفره‌ها را به صورت بارهاي مثبتي فرض كرد كه در جهت مخالف جريان الكترون‌ها حركت مي‌كنند. در مورد حالت‌هاي اسپيني هم همين مطلب صادق است. يعني به جاي ذرات، محققان با حفره‌ها كار مي‌كنند و با استفاده از خواص طبيعي حفره‌هاي موجود در نيمه‌رساناها كار طراحان تراشه‌هاي رایانه‌اي كه ممكن است روزي بخواهند از اين حفره‌ها در طراحي تراشه‌هاي خود استفاده كنند، را راحت‌تر مي‌كنند. به اين ترتيب ديگر نيازي به استفاده از ميدان‌هاي مغناطيسي بزرگ كه در ساير روش‌ها براي اندازه‌گيري اسپين به كار مي‌رود، نخواهد بود.
اما در عين حال روش ابداعي راكهينسون به دماي بسيار پاييني، كمي بيش از صفر مطلق نياز دارد و اگر بخواهد به طور تجاري و در مقياس وسيع مورد استفاده واقع شود لازم است تا اين كار در دماهاي بالاتري انجام شود.
توسعه بيشتر اين روش مي‌تواند به توليد جزء اصلي ريزپردازنده‌هاي كوانتومي منجر شود. تمامي پردازشگرهاي اسپيني به ابزارهايي براي تزریق، آشكارسازي و به كارگيري كنترل شده ذرات كوانتومي نياز دارند و ابزاري كه راكهينسون ساخته‌، توانايي آشكار سازي و تزريق ذرات كوانتومي را دارد.
به اين ترتيب يكي از موانع اصلي توسعه ابزارهاي اسپينترونيكي برطرف شده‌است اما آنها علاوه بر اين، به دنبال ساخت ابزاري براي استفاده از حفره‌هاي الكتروني مي‌باشند كه در صورت محقق شدن آن مي‌توان به ساخت ترانزيستورهاي اسپيني اقدام كرد.
با توجه به آنكه طي دهة گذشته ترانزيستورهاي نيمه‌رسانا تأثيرات شگرفي بر توسعه رایانه‌ها داشته‌اند دانشمندان اميدوارند كه اين كشف بتواند نقش بسزايي در صنعت پيدا كند.
شايان ذكر است كه اين تحقيقات با حمايت سازمان پروژه‌هاي تحقيقاتي پيشرفته دفاعی (DARPA) و بنياد ملي علوم آمريکا (NSF) صورت گرفته است. علاوه بر اين، پارك تحقيقاتي جديد پوردو هم از اين طرح حمايت كرده است.