مهندسان استنفورد طرح ساده‌تری را برای رایانه‌های کوانتومی پیشنهاد می‌کنند
مهندسان دانشگاه استنفورد با یک طراحی کامپیوتر کوانتومی نسبتا ساده از یک اتم برای دستکاری فوتون ها استفاده می‌کنند.
به گزارش پایگاه اطلاع رسانی ایران رصد بر اساس مقاله‌ای که در ۲۹ نوامبر در Optica منتشر شد، اکنون، محققان دانشگاه استنفورد طرح ساده‌تری را برای رایانه‌های کوانتومی فوتونیک با استفاده از اجزای در دسترس پیشنهاد کرده‌اند. طرح پیشنهادی آنها از لیزر برای دستکاری یک اتم استفاده می‌کند. که به نوبه خود می‌تواند وضعیت فوتون‌ها را از طریق پدیده‌ای به نام “تلپورت کوانتومی” تغییر دهد. اتم را می توان برای بسیاری از دروازه‌های کوانتومی بازنشانی کرد و دوباره از آن استفاده کرد. که نیاز به ساخت چندین دروازه فیزیکی مجزا را از بین می‌برد و پیچیدگی ساخت یک کامپیوتر کوانتومی را به شدت کاهش می دهد.
ساخت رایانه‌های کوانتومی امروزی پیچیده است و برای کار کردن به دمایی سردتر از فضای بین‌ستاره‌ای نیاز دارند. این چالش‌ها باعث شده است تا محققان امکان ساخت رایانه‌های کوانتومی را که با استفاده از فوتون‌ها – ذرات نور – کار می‌کنند، بررسی کنند. فوتون ها می توانند به راحتی اطلاعات را از مکانی به مکان دیگر منتقل کنند و کامپیوترهای کوانتومی فوتونیک می توانند در دمای اتاق کار کنند، بنابراین این رویکرد امیدوارکننده است. با این حال، اگرچه محققان با موفقیت «دروازه‌های منطقی» کوانتومی جداگانه برای فوتون‌ها ایجاد کرده‌اند،اما ساخت تعداد زیادی دروازه و اتصال آنها به روشی مطمئن برای انجام محاسبات پیچیده چالش برانگیز است.
رایانه‌های کوانتومی پیشنهادی چگونه ساخته می‌شوند ؟
بن بارتلت، کاندیدای دکترادر فیزیک کاربردی و نویسنده اصلی مقاله، می‌گوید: «به طور معمول، اگر می‌خواهید این نوع رایانه‌های کوانتومی بسازید، باید هزاران تابشگر کوانتومی را بگیرید، همه آنها را کاملاً غیرقابل تشخیص کنید و سپس آنها را در یک مدار فوتونیک غول پیکر ادغام کنید.». در حالی که با این طراحی، ما فقط به تعداد انگشت شماری از اجزای نسبتا ساده نیاز داریم و اندازه دستگاه با اندازه برنامه کوانتومی که می‌خواهید اجرا کنید، افزایش نمی‌یابد.»
این طراحی بسیار ساده تنها به چند قطعه تجهیزات نیاز دارد: یک کابل فیبر نوری، یک تقسیم کننده پرتو، یک جفت سوئیچ نوری و یک حفره نوری.
خوشبختانه، این قطعات از قبل وجود داشته و حتی به صورت تجاری در دسترس هستند. آنها همچنین به طور مداوم در حال پالایش هستند زیرا در حال حاضر در برنامه هایی غیر از محاسبات کوانتومی استفاده می شوند. برای مثال، شرکت‌های مخابراتی سال‌ها برای بهبود کابل‌های فیبر نوری و سوئیچ‌های نوری کار می‌کنند.
شانهویی فن، پروفسور جوزف و هون مای گودمن از دانشکده مهندسی و نویسنده ارشد در این مقاله، می گوید: «آنچه ما در اینجا پیشنهاد می‌کنیم، مبتنی بر تلاش و سرمایه‌گذاری است که مردم برای بهبود این مؤلفه‌ها انجام داده‌اند. “آنها اجزای جدیدی نیستند که به طور خاص برای محاسبات کوانتومی استفاده شوند.”
یک طرح بدیع
طراحی دانشمندان از دو بخش اصلی تشکیل شده است: یک حلقه ذخیره و یک واحد پراکندگی. حلقه ذخیره سازی، که عملکردی مشابه حافظه در یک کامپیوتر معمولی دارد، یک حلقه فیبر نوری است که فوتون های متعددی را در اطراف حلقه نگه می دارد. مشابه بیت هایی که اطلاعات را در یک کامپیوتر کلاسیک ذخیره می کنند، در این سیستم، هر فوتون یک بیت کوانتومی یا “کیوبیت” را نشان می دهد. جهت حرکت فوتون در اطراف حلقه ذخیره، مقدار کیوبیت را تعیین می‌کند، که مانند یک بیت، می تواند ۰ یا ۱ باشد. علاوه بر این، از آنجا که فوتون ها می توانند همزمان در دو حالت وجود داشته باشند، یک فوتون منفرد می تواند همزمان در هر دو جهت جریان یابد. ، که مقداری را نشان می دهد که ترکیبی از ۰ و ۱ به طور همزمان است.
محققان می توانند فوتون را با هدایت آن از حلقه ذخیره به واحد پراکندگی دستکاری کنند. جایی که فوتون به حفره ای حاوی یک اتم منفرد حرکت می کند. سپس فوتون با اتم برهمکنش می‌کند و باعث می‌شود که این دو «درهم‌تنیده» شوند. پدیده‌ای کوانتومی که به موجب آن دو ذره می‌توانند حتی در فواصل بسیار دور بر یکدیگر تأثیر بگذارند. سپس، فوتون به حلقه ذخیره باز می گردد و لیزر وضعیت اتم را تغییر می دهد. از آنجایی که اتم و فوتون در هم تنیده هستند، دستکاری اتم بر وضعیت فوتون جفت شده آن نیز تأثیر می گذارد.
انیمیشنی از کامپیوتر کوانتومی فوتونیک که توسط محققان پیشنهاد شده است. در سمت چپ حلقه ذخیره سازی قرار دارد که چندین فوتون ضد انتشار را در خود جای می دهد. در سمت راست واحد پراکندگی اقرار دارد که برای دستکاری کیوبیت های فوتونیکی استفاده می شود. کره‌های بالا که «کره‌های Bloch» نامیده می‌شوند، وضعیت ریاضی اتم و یکی از فوتون‌ها را نشان می‌دهند. از آنجایی که اتم و فوتون در هم تنیده هستند، دستکاری اتم بر وضعیت فوتون نیز تأثیر می گذارد.
می توان هر برنامه کوانتومی با هر اندازه‌ای را تنها با استفاده از یک کیوبیت اتمی قابل کنترل اجرا کرد
به گفته بارتلت: «با اندازه‌گیری وضعیت اتم، می‌توان عملیات را روی فوتون‌ها انتقال داد. بنابراین ما فقط به یک کیوبیت اتمی قابل کنترل نیاز داریم و می توانیم از آن به عنوان یک پروکسی برای دستکاری غیرمستقیم سایر کیوبیت های فوتونیکی استفاده کنیم.
از آنجایی که هر گیت منطقی کوانتومی را می توان به دنباله ای از عملیات انجام شده روی اتم گردآوری کرد. در اصل می توان هر برنامه کوانتومی با هر اندازه ای را تنها با استفاده از یک کیوبیت اتمی قابل کنترل اجرا کرد. برای اجرای یک برنامه، کد به دنباله ای از عملیات ترجمه می شود که فوتون ها را به واحد پراکندگی هدایت می‌کند و کیوبیت اتمی را دستکاری می‌کند. از آنجایی که می‌توان نحوه تعامل اتم و فوتون‌ها را کنترل کرد، یک دستگاه می‌تواند بسیاری از برنامه‌های کوانتومی مختلف را اجرا کند.
بنابرگفته بارتلت:
«برای بسیاری از رایانه‌های کوانتومی فوتونیک، دروازه‌ها ساختارهای فیزیکی هستند که فوتون‌ها از آنها عبور می‌کنند، بنابراین اگر می‌خواهید برنامه‌ای را که در حال اجرا است تغییر دهید، اغلب شامل پیکربندی مجدد فیزیکی سخت‌افزار است». “در حالی که در این مورد، شما نیازی به تغییر سخت افزار ندارید – فقط باید مجموعه متفاوتی از دستورالعمل ها را به دستگاه بدهید.”
آویک دات، محقق فوق دکتری دانشگاه استنفورد نیز یکی از نویسندگان این مقاله است. فن استاد مهندسی برق، عضو Stanford Bio-X و وابسته به موسسه انرژی Precourt است.
این تحقیق توسط وزارت دفاع ایالات متحده و دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی ایالات متحده تامین مالی شده است.
مایع اسپین کوانتومی؛ مشاهده حالت جدیدی از ماده برای اولین بار