سردترین نقطه دنیا در نیویورک؛ یخچال غول پیکر IBM برای پردازش کوانتومی
به گزارش سبزا، دمای اعماق کیهان بسیار پایین است، اما سردترین نقطه دنیا در دل فضا قرار ندارد و روی کره زمین ساخته شده . بخش های دورافتاده فضا، دور از تابش ستاره ها، دمایی نزدیک به 2.7 کلوین دارند که معادل تابش زمینه کیهانی است. با این حال آزمایشگاه های فیزیک کوانتومی روی زمین محیط هایی را پدید می آورند که بسیار از فضا سردتر هستند. شرکت IBM در مرکز تحقیقاتی خود واقع در یورک تاون هایتس (Yorktown Heights) نیویورک، سامانه ای برودتی راه اندازی نموده که دما را تا 15 میلی کلوین پایین می آورد تا بستر مناسبی برای توسعه پردازنده های نسل نو فراهم گردد.
محققان برای دستیابی به چنین سرمایی، از قوانین پایه ترمودینامیک بهره می برند؛ زیرا دما در واقع نشان دهنده مقدار انرژی جنبشی و ارتعاش اتم ها است. وقتی جسمی گرم می گردد، ذرات آن با سرعت بیشتری تکان می خورند و هنگامی که سرد می گردد، این ارتعاشات به حداقل می رسد. در نقطه صفر مطلق (Absolute Zero) یعنی صفر کلوین یا منفی 273.15 درجه سلسیوس، جنبش ذرات عملاً متوقف می گردد. رکورد جهانی کمترین دمای ثبت شده در سال 2018 در دانشگاه برمن آلمان به ثبت رسید که پژوهشگران توانستند به دمای 38 پیکوکلوین برسند، اما سامانه نیویورک با هدفی کاربردی در حوزه محاسبات طراحی شده است.
علت احتیاج رایانه های کوانتومی به سرمای نزدیک به صفر مطلق
پردازنده های پیشرفته برای حفظ پایداری اطلاعات خود احتیاجمند حذف کامل نویزهای محیطی و گرمایی هستند. کیوبیت ها (Qubits) یا همان واحدهای پردازش کوانتومی، برخلاف بیت های کلاسیک صفر و یک، می توانند به لطف پدیده برهم نهی هم زمان حالت های مختلفی را تجربه نمایند. هرگونه لرزش ناشی از گرما پیوندهای حساس کوانتومی را بر هم می زند و محاسبات را دچار خطا می نماید. بنابراین، پایین آوردن چشمگیر دما پایداری حالت های کوانتومی شنماینده را تضمین می نماید و احتمال وقوع اشتباهات محاسباتی را به حداقل ممکن می رساند.
مهندسان برای حل چالش خطاهای محاسباتی، سامانه های مقاوم در برابر خطا (Fault-Tolerant) را توسعه می دهند. هرچه ابعاد یک پردازشگر کوانتومی بزرگ تر گردد و تعداد کیوبیت ها افزایش یابد، احتمال نفوذ نویز و از بین رفتن داده ها نیز بالاتر می رود. سیستم نو شرکت IBM به صورت ماژولار یا بخش به بخش ساخته شده است تا بتوان با افزودن بخش های نو، پردازنده های بزرگ تر را بدون از دست رفتن دما خنک نگه داشت. هدف نهایی این پروژه، ساخت نخستین پردازنده کوانتومی بدون خطا تا سال 2029 است که از پس سنگین ترین محاسبات برآید.
فرایند پیچیده سردسازی در یخچال های رقت هلیومی
رسیدن به سرمای میلی کلوین با روش های متداول یخچال های خانگی ناممکن است و به فناوری رقت هلیومی (Dilution Refrigerator) احتیاج دارد. در گام اول، گاز هلیوم به حالت مایع درمی آید و محفظه طی پنج روز به دمای 4 کلوین می رسد. پس از آن، از برهم کنش دو ایزوتوپ خاص یعنی هلیوم-3 و هلیوم-4 استفاده می گردد. با عبور دادن ایزوتوپ سبک تر از میان ایزوتوپ سنگین تر، گرمای به جای مانده جذب فرایند اختلاط می گردد. ترکیب ایزوتوپ های هلیوم آخرین بقایای انرژی گرمایی محیط را تخلیه می نماید و محفظه را به دمای بسیار پایدار 15 میلی کلوین می رساند.
طراحی ماژولار این سیستم به پژوهشگران اجازه می دهد تا ارتباطات فیبر نوری و کابل های کواکسیال را بدون انتقال حرارت بیرونی به مرکز محفظه متصل نمایند. در سیستم های سنتی، باز کردن درب یخچال برای تعمیر یا ارتقای تراشه، کل فرایند چند روزه خنک سازی را متوقف می کرد. با معماری نو، ماژول ها در کنار هم جفت می شوند و بدون ایجاد شکاف دمایی، حجم کاری دستگاه را توسعه می دهند. این ساختار مهندسی دسترسی به مدارهای فوق سرد را نسبت به گذشته بسیار ساده تر نموده است.
پدیده های باورنکردنی فیزیک در کسری از کلوین
هنگامی که ماده به نزدیکی صفر مطلق می رسد، رفتارهای عجیبی از خود بروز می دهد که در فیزیک کلاسیک غیرممکن به نظر می رسند. یکی از این پدیده ها ابررسانایی (Superconductivity) است که در آن مقاومت الکتریکی سیم ها به صفر مطلق می رسد و جریان برق بدون کمترین اتلاف انرژی درون مدار گردش می نماید. پدیده شگفت انگیز دیگر ابرشارگی (Superfluidity) در هلیوم مایع است. مایع ابرشاره بدون داشتن هیچ گونه اصطکاک داخلی حتی از دیواره های ظرف بالا می رود و اگر درون حلقه ای به گردش درآید، چرخش آن تا ابد بدون توقف ادامه پیدا می نماید.
علاوه بر این، در چنین دماهای پایینی پدیده ای به نام چگالش بوز-اینشتین (Bose-Einstein Condensate) رخ می دهد که طی آن مرز میان اتم های جداگانه محو می گردد. در این حالت، هزاران اتم مانند یک ابر اتم غول پیکر با ویژگی های موجی یکسان عمل می نمایند. شناخت این رفتارهای جمعی ذرات، به دانشمندان یاری می نماید تا حسگرهای کوانتومی بسیار دقیقی بسازند. این حسگرها کوچک ترین تغییرات در میدان گرانشی زمین، میدان های مغناطیسی زیرسطحی و حتی امواج نامرئی را با دقتی بی سابقه ثبت می نمایند.
پیشنهاد اختصاصی سردبیر (علیرضا مجیدی)
این مقاله مجذوب کننده و جالب بود؟! پس برای خواندن این نوشته های مرتبط کلیک کنید:
- بحران کمبود مسکن به علت هجوم کارگران ساختمانی به ساخت مراکز داده هوش مصنوعی!
- چرا کارفرمایان پیشنهاد کاری فارغ التحصیلان را پس می گیرند؟ پشت پرده جنگ الگوریتم ها در بازار کار
- رسوایی اپلیکیشن دوستیابی گوس و فریب کاربران با اینفلوئنسرهای هوش مصنوعی
- راز اثر قطره سیاه و خطای دید عجیبی که سرنوشت استرالیا را دگرگون کرد
- آیا واقعاً اطلاعات ما از فضا بیشتر از اعماق اقیانوس است؟ روایت فردی که به هر دو سفر نموده
- مقایسه علمی تمرین قدرتی و هوازی در سلامت قلب، پیشگیری از سرطان و طول عمر