افزودن ابررسانایی کوانتومی به رایانه‌های کنونی
رایانه‌ها این قابلیت را دارند که از خواص عجیب و شبح‌وار مکانیک کوانتوم در حل سریع‌تر مسائل بهره‌مند شوند، اما پیش از هر چیز یک اِشکال بزرگ باید از سر راه برداشته شود. دانشمندان ژاپنی لایه‌ای از یک ماده ابررسانا در مقیاس نانو، نیوبیم نیترید، را روی یک بستر نیمه رسانا از جنس نیترید که لایه‌ای مسطح و بلوری است کشت کرده‌اند تا از این طریق تلفیق کیوبیت‌های کوانتومی با سیستم‌های میکروالکترونیک کنونی را تسهیل کنند.
روش‌هایی که برای ساخت ریزپردازشگرهای سیلیکونی متعارف به کار می‌روند اکنون با گذشت چند دهه کامل‌تر و بهتر شده‌اند و پیوسته ارتقاء داده می‌شوند. در مقابل، برای ساخت بیشتر ساختارهای محاسباتی کوانتومی باید از صفر شروع کرد. با این حال، یافتن راهی برای افزودن توانایی‌های کوانتومی به فرایندهای ساخت فعلی یا حتی کنار هم قرار دادن واحدهای منطقی کوانتومی کنونی روی یک تراشه می‌تواند زمان رسیدن به روزی که کاربرد این سیستم های جدید رایج خواهند شد را کوتاه کند.
نیوبیم نیترید در دمایی خنک‌تر از ۱۶ درجه بالای صفر خاصیت ابررسانایی پیدا می کند. در نتیجه، می توان از آن برای ساخت یک کوبیت ابررسانا استفاده کرد. کافی است در ساختاری به نام اتصال جوزفسون قرار داده شود. شباهت ساختاری این دو ماده ترکیب کردن ابررساناها با وسایل اپتوالکتریک نیمه رسانا را آسان‌تر می‌کند.
***
مدت زمانی است که مغز انسان در نگاه دانشمندان به یک منبع الهام و الگویی بی‌نظیر برای طراحی سیستم‌های رایانه‌ای بدل شده است. برخی از آنها حتی گامی فراتر رفته و سخت‌افزاری رایانه‌ای ساخته‌اند که ساختاری شبیه به مغز انسان دارد. کارایی این ساختار که متشکل از تراشه‌های نورومورفیک است بسیار امیدوارکننده تشخیص داده شده‌است، اما ترکیب الکترونیکی به‌کار رفته در آن از نوع الکترونیک دیجیتال متعارف است که در میزان پیچیدگی و سرعت آنها محدودیت ایجاد می‌کند. با بزرگ‌تر و پیشرفته‌تر شدن تراشه‌ها، تردد سیگنال‌های بین تک تک اجزای آنها مانند تعداد زیادی خودروی به دام افتاده در ترافیک قفل شده در یک بزرگراه سخت می‌شود و در نتیجه سرعت رایانش (محاسبات) به شدت پایین می‌آید.
پژوهشگران «مؤسسه ملی فناوری و استانداردها» (NIST)در ایالات متحده برای این چالش مخابراتی یک راه‌حل پیدا کرده‌اند که روزی به سیستم‌های نورونی مصنوعی قدرت خواهد داد تا عملکردی ۱۰۰هزار بار سریع‌تر از مغز انسان داشته باشند.
مغز انسان شبکه‌ای از ۸۶ میلیارد سلول به نام نورون است. هر کدام از نورون‌ها هزاران اتصال به نام سیناپس با همسایگان خود دارند. نورون‌ها با استفاده از پالس‌های الکتریکی کوتاه که «اسپایک» نامیده می‌شوند الگوهایی غنی و متغیر برای فعالیت‌های ما به وجود می‌آورند که اساس ادراک و شناخت ما را تشکیل می‌دهند. در تراشه‌های نورومورفیک، اجزاء الکترونیکی نقش نورون‌های مصنوعی را دارند که سیگنال‌های اسپایکی را از درون مسیر مشخصی در شبکه شبه ـ مغز ارسال می‌کنند.
پژوهشگران زیرساخت مخابرات الکترونیکی متعارف را کنار گذاشتند تا شبکه‌هایی را طراحی کنند که هر نورون آنها دارای یک منبع نور کوچک باشد و این منبع سیگنال‌های نوری را به سوی هزاران اتصال منتشر کند. اگر در شناسایی ذرات نور که فوتون نامیده می‌شوند از وسیله‌های ابررسانا استفاده شود، این طرح در مصرف انرژی بسیار کارآمد خواهد بود. یک فوتون کوچک‌ترین سیگنال نوری ممکن است که می‌تواند نمایانگر اسپایک باشد. فوتون‌ها ذرات بنیادی حامل نیروی الکترومغناطیسی، فاقد جرم، فاقد بار الکتریکی و پایدار هستند.
پژوهشگران NISTبرای نخستین ‌بار موفق به ساخت مداری شده‌اند که بسیار شبیه به یک سیناپس بیولوژیکی رفتار کرده و برای انتقال و دریافت سیگنال‌ها فقط از فوتون‌های مجزا استفاده می‌کند. این کار با استفاده از آشکارسازهای ابررسانای تک فوتونی امکان‌پذیر شده‌است. رایانش در این مدار زمانی اتفاق می‌افتد که یک آشکارساز تک فوتونی در برخورد با بخشی از مدار ابررسانا که «اتصال جوزفسون» نام دارد قرار می‌گیرد.
اتصال جوزفسون متشکل از لایه‌هایی از مواد ابررسانا است که یک غشاء عایق نازک آنها را از هم جدا کرده است. اگر مقدار جریان عبوری از درون این لایه‌ها از آستانه معینی بیشتر شود، اتصال جوزفسون تولید پالس‌هایی با ولتاژ کم را آغاز می‌کند. این پالس‌ها، «فلاکسون» نام دارند. آشکارگر تک فوتونی به محض شناسایی یک فوتون، اتصال جوزفسون را به سوی این آستانه سوق می‌دهد و به دنبال آن فلاکسون‌ها در قالب جریان الکتریکی در یک حلقه ابررسانا جمع می‌شوند. پژوهشگران می‌توانند میزان جریانی که به ازای هر فوتون به حلقه ابررسانا اضافه می‌شود را با اِعمال سوگیری (bias)روی یکی از برخوردگاه ها تنظیم کنند. منظور از سوگیری، یک منبع جریان الکتریکی خارجی است که برق مدار را تأمین می‌کند. به این کار «وزن سیناپتیک» گفته می‌شود.
این عملکرد مانند رفتاری است که سیناپس‌های بیولوژیکی از خود نشان می‌دهند. جریان الکتریکی ذخیره شده نقش حافظه کوتاه مدت را دارد، چون اطلاعات ثبت شده‌ای از تعداد دفعاتی که یک نورون به تازگی اسپایک تولید کرده فراهم می‌آورد. عمر این حافظه را مدت زمانی که طول می‌کشد تا جریان الکتریکی در حلقه‌های ابررسانا محو شود تعیین می‌کند. این مدت از چند صد نانوثانیه تا هزاران میلی ثانیه متغیر است و حتی بیشتر هم می‌تواند باشد.
این بدان معنا است که سخت‌افزار می‌تواند با مسأله‌هایی که در مقیاس‌های زمانی بی‌شمار پیش می‌آیند خود را منطبق کند؛ از سیستم‌های کنترل صنعتی پیشرفته گرفته تا مکالماتی که انسان‌ها به طور تفریحی و در اوقات فراغت با هم رد و بدل می‌کنند. قابلیت تنظیم وزن‌های مختلف با تغییر میزان سوگیری اِعمال شده روی اتصالات جوزفسون موجب می‌شود حافظه مدت بیشتری دوام بیاورد. با حافظه‌ای که عمر بیشتری دارد می‌توانند شبکه‌ها را قابل برنامه‌نویسی کنند تا یک شبکه بتواند به تنهایی مسأله‌های متعددی را حل کند.
سیناپس‌ها اجزاء محاسباتی حیاتی مغز هستند. از این رو، سیناپس‌های تک فوتونی ابررسانا یک دستاورد مهم در مسیر رسیدن به شبکه‌های نوری ـ الکتریکی ابررسانا محسوب می‌شوند. پژوهشگران تصمیم دارند در ادامه این سیناپس‌ها را با منابع نوری که روی خود تراشه سوار هستند ترکیب کنند تا به نورون‌هایی با ابررسانایی نوری ـ الکتریکی کامل دست یابند.
با این رویکرد، می‌توانند مسائل محاسباتی را اگر چه در مقیاس محدود حل کنند. هدف بعدی آنها این است که این پیشرفت در زمینه الکترونیک ابررسانا را با منابع نور ابررسانا ادغام کنند. با نیل به این هدف، برقراری ارتباط بین عناصر بیشتر مدار و نیز حل مسأله های بزرگی که متعاقب آن می‌آیند امکان‌پذیر می‌شود.
تیم پژوهش تا کنون منابع نوری را ارائه داده است که در یک سیستم کامل قابل استفاده هستند، اما لازم است مطالعه بیشتری انجام شود تا همه اجزاء روی یک تراشه واحد قرار گیرند. همچنین، امکان ارتقاء سیناپس‌ها با استفاده از مواد آشکارساز وجود دارد. این مواد آشکارساز باید تحمل دمای بالاتر از گرمای سیستم‌های کنونی را داشته باشند.

code