تولد رايانه هاي نوري و كوانتومي
به لطف ساخت ترانزيستور نوري تك مولكولي صورت مي گيردنويسنده: مهدي پيرگزي
رايانه هاي نوري، عرصه جذاب و هيجان انگيزي از آينده فناوري اطلاعات و ارتباطات به حساب مي آيد، اما به نظر مي رسد يكي از پيچيده ترين فناوري هايي محسوب مي شود كه دانشمندان براي دستيابي به آن بر طيف گسترده اي از فناوري هاي مرتبط تكيه كرده اند. يكي از اين فناوري ها كه براي مردم عادي بسيار نام آشناست، ترانزيستور نام دارد. جالب اين است كه طي 2 دهه گذشته اين فناوري پيشرفت هاي خيره كننده اي داشته است كه مهم ترين علت آن، كاربردي بودن آن در طيف وسيعي از فناوري ها و سازه هاست، اما دستيابي به ايده رايانه هاي نوري، فرآيند طولاني مدتي بوده است كه شمار زيادي از دانشمندان را به چالش كشانده است. اكنون نيز با ابداعاتي كه در زمينه فناوري ترانزيستورها صورت گرفته است، يكي ديگر از ايده هاي منحصربه فرد بشر يعني رايانه هاي ترانزيستوري، گام ديگري به واقعيت نزديك تر شده است: ترانزيستورهاي نوري ساخته شده از تك مولكول ها، ترانزيستورهايي كه جريان نور در آنها تعيين كننده است و مي توانند در رايانه هاي نوري و در ادامه، سيستم هاي محاسباتي كوانتومي به عنوان بخش اصلي به كار گرفته شوند. اهميت اين تلاش ها در آن حد است كه توسعه بسياري از فناوري هاي فعلي و ادامه ماجراجويي بشر در اعماق فضا صرفا در گروي توسعه دانش ساخت چنين رايانه هايي است. نكته جالب توجه و غرورآفرين براي كشورمان اين است كه در تازه ترين تلاش هاي صورت گرفته در اين خصوص، نام يك محقق ايراني به عنوان هدايتگر اصلي طرح به چشم مي خورد.
محققان دانشگاه علوم و فناوري ETH در زوريخ سوئيس به سرپرستي دكتر وحيد صندوقدار، دست به كار بزرگي زده اند و ترانزيستور نوري را با موفقيت ساخته اند كه مبناي آن استفاده از تنها يك مولكول بوده است. به عقيده او، اين دستاورد جديد را مي توان گامي اميدواركننده به سوي طراحي و ساخت رايانه هاي نوري به شمار آورد.
از ورود اينترنت به زندگي عادي مردم ساليان طولاني نمي گذرد، اما در همين مدت ثابت شده است كه استفاده از آن بايد با سرعتي به مراتب بيشتر از سرعت فعلي صورت گيرد. استفاده از پهناي باند و تكنيك هاي ديگري در اين زمينه كه براي رسيدن به اين خواسته صورت گرفته، هنوز نتوانسته است رضايت دانشمندان و كاربران را برآورده كند.
كارشناسان بر اين باورند كه ارتباطات اينترنتي و رايانه اي بايد به مراتب سريع تر و قدرتمندتر از شرايط فعلي انجام شود، اما موانع زيادي بر سر راه ديده مي شود. سيستم هاي شناخته شده پردازش كننده مركزي سنتي (سي پي يوها) خود به عنوان بخشي از موانع محدودكننده رايانه ها به شمار مي آيند كه به عنوان مثال بايد به توليد گرماي قابل توجه در آنها و خطراتي كه به دنبال خود دارند، اشاره كرد. برآورد شده است كه ميليون ها ترانزيستوري كه وظيفه دارند سيگنال هاي الكترونيكي را در سي پي يو ها روشن و تقويت كنند، علت اصلي توليد حجم قابل توجهي از اين گرما محسوب مي شود. بررسي هاي دقيق نيز نشان داده است كه تنها يك سانتي متر مربع از سي پي يو مي تواند بالغ بر 125وات حرارت توليد كند كه بيش از 10 برابر حرارتي است كه يك سانتي متر مربع از يك hotplate الكتريكي توليد مي كند. پس راه حل اميدواركننده براي تحقق ايده رايانه هاي نوري چيست؟ استفاده از فوتون ها به جاي الكترون ها مي تواند راه حل مناسبي باشد.
اين گرماي نگران كننده، مهم ترين انگيزه و محرك دانشمندان در پيدا كردن شيوه هايي موثر براي طراحي و توليد مدارهاي يكپارچه اي بوده است كه به جاي عمل كردن براساس الكترون ها، بر مبناي فوتون ها كار كنند، اما دليل اين تغيير نگرش در چيست؟ دانشمندان دليل اصلي ارائه اين راه حل را در اين مي دانند كه فوتون ها نه تنها در مقايسه با الكترون ها حرارت كمتري توليد مي كنند بلكه آنها امكان خيره كننده اي در زمينه انتقال بسيار سريع تر داده ها ايجاد مي كنند.
حل معماي انرژي تاريك صرفا با استفاده از ابررايانه هاي فوق مدرن كه در آن سرعت محاسباتي حرف اول را مي زند تحقق خواهند يافتاگرچه امروزه بخش قابل توجهي از مهندسي ارتباطات از راه دور بر مبناي انتقال نوري سيگنال هاست، اما كدگذاري ضروري اطلاعات با استفاده از سوئيچ هاي كنترلي الكترونيكي صورت مي گيرد. از اين رو به نظر مي رسد هنوز با ترانزيستور فشرده نوري فاصله زيادي وجود داشته باشد. دكتر وحيد صندوقدار، استاديار ايراني آزمايشگاه شيمي فيزيك ETH زوريخ مي گويد: با مقايسه وضعيت فعلي اين فناوري با سازه ها و دستاوردهاي صورت گرفته در عرصه الكترونيك مي توان گفت تا حدود زيادي به ايده منحصربه فرد رايانه هاي نوري نزديك شده ايم. در حال حاضر او و تيم تحقيقاتي اش به تحولي قطعي در اين زمينه دست يافته اند كه اين همه به واسطه توليد ترانزيستور نوري صورت گرفته است كه بر مبناي يك مولكول ساخته شده است.
اين محققان براي رسيدن به چنين نقطه اي بر اين حقيقت تكيه كرده اند كه انرژي مولكول به صورت پله اي تعريف شده است و وقتي نور ليزر به مولكولي كه در وضعيت پايه اي خود قرار دارد برخورد مي كند، جذب مولكول مي شود و در نتيجه پرتوي ليزري فروكش مي كند؛ اما اگر به صورت معكوس به اين فرآيند نگاه كنيم اين امكان وجود دارد كه انرژي جذب شده را با استفاده از پرتوي ليزري ثانويه و در روشي هدف گيري شده آزاد كرد. راز نهفته درخصوص اين فرآيند اين است كه پرتوي ليزري وضعيت كوانتومي مولكول را دستخوش تغيير قرار مي دهد. اين انتشار تحريك شده اي است كه آلبرت اينشتين حدود 90 سال پيش آن را توصيف كرد و اساس كلي اصل فناوري ليزر را نيز تشكيل مي دهد.
رايانه هاي نوري و در ادامه رايانه هاي كوانتومي جسوك هوانگ از محققان اين طرح و يكي از اعضاي گروه تحقيقات نانو اپتيكي دكتر صندوقدار مي گويد: تقويت سازي در فناوري فعلي ليزر به واسطه حضور شمار قابل توجهي از مولكول ها صورت مي گيرد؛ اما اكنون محققان اين طرح با تمركز دادن يك پرتوي ليزري روي تنها يك مولكول توانسته اند آزادسازي تحريك شده اي را با استفاده از تنها يك مولكول خلق كنند، البته محققان از اين حقيقت پذيرفته شده علمي كه در دماهاي پايين به نظر مي رسد مولكول ها سطح خارجي خود را در تعامل با نور افزايش مي دهند نيز استفاده هاي زيادي كرده اند تا به نتايج مورد نظر دست يابند. محققان در ادامه كار راهي ندارند جز اين كه دماي مولكول را به منهاي 272 درجه سلسيوس برسانند كه تقريبا كمي بالاتر از صفر است.
توسعه اين فناوري كه هدفي همچون طراحي و ساخت رايانه هاي نوري براي آن در نظر گرفته شده است، در نوع خود هيجان انگيز است؛ اما به عقيده دكتر صندوقدار، قطعات و فناوري هايي نظير ترانزيستور تك مولكولي مي توانند راه را براي ساخت رايانه هاي كوانتومي هموار كند. بايد در اين زمينه و تا پيش از به كارگيري فوتون ها به جاي الكترون ها در ترانزيستورها تحقيقات زيادي صورت گيرد. در همين حال يكي از مهم ترين برنامه هاي دانشمندان اين است كه با دستكاري و مهندسي سازي سيستم هاي كوانتومي كنترلي، گام هاي اميدواركننده اي به سوي تحقق رويايي رايانه هاي كوانتومي بردارند. تحقق چنين رويايي مي تواند به بروز انقلابي بزرگ در دنياي محاسبات و پردازش هاي پيچيده رياضي منجر شود.
بشر هم اكنون خود را درگير طيف گسترده اي از تحقيقات دامنه دار علمي مي داند. نفوذ به اعماق اقيانوس ها تا پرده برداشتن از راز شكل گيري سياهچاله ها و از آن جذاب تر حل معماي انرژي تاريك ازجمله عرصه هايي است كه صرفا با استفاده از ابررايانه هاي فوق مدرن كه در آن سرعت محاسباتي حرف اول را مي زند، تحقق خواهند يافت.
□ روزنامه جام جم > شماره 2607 22/4/88 > صفحه 12 (دانش) > متن