شتاب کوانتومی با قوی ترین اتصال نور و ماده

در آینده رایانه های کوانتومی می توانند نقش مهمی در شبیه سازی سریع مواد جدید یا توسعه مدل های یادگیری ماشین ایفا کنند و دروازه ای به سوی کاربرد های نوین بگشایند. با این حال تحقق چنین کاربرد هایی تنها زمانی ممکن خواهد بود که رایانه های کوانتومی قادر باشند عملیات خود را با سرعت بسیار بالا انجام دهند؛ به گونه ای که دانشمندان بتوانند پیش از آنکه نرخ خطا ها افزایش یابد و دقت سامانه کاهش یابد اندازه گیری ها و اصلاحات لازم را اعمال کنند.

به گزارش فیزیکس اوآرجی کارایی این فرآیند اندازه گیری که با عنوان «خوانش کوانتومی» (readout) شناخته می شود به میزان قدرت برهم کنش میان فوتون ها (ذرات نوری حامل اطلاعات کوانتومی) و اتم های مصنوعی (واحد هایی از ماده که اغلب برای ذخیره اطلاعات کوانتومی به کار می روند) وابسته است.

اکنون پژوهشگران مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) موفق شده اند آنچه را که قوی ترین برهم کنش غیرخطی نور و ماده در یک سامانه کوانتومی خوانده می شود به صورت تجربی نشان دهند. این دستاورد می تواند گامی تعیین کننده در مسیر انجام عملیات و خوانش کوانتومی در بازه های زمانی چند نانوثانیه ای باشد. نتایج این تحقیق در ژورنال Nature Communications منتشر شده است.

پژوهشگران با بهره گیری از معماری نوینی در مدار های ابررسانا توانستند برهم کنشی غیرخطی میان نور و ماده را نشان دهند که تقریباً ده برابر قوی تر از نمونه های پیشین است. این تقویت می تواند منجر به ساخت پردازنده های کوانتومی شود که ۱۰ برابر سریع تر عمل می کنند.

اگرچه هنوز مسیر زیادی تا استفاده عملی از این معماری در رایانه های کوانتومی واقعی باقی مانده است اما اثبات اصول فیزیکی این پدیده یک گام مهم در جهت پیشرفت به سوی محاسبات کوانتومی مقاوم در برابر خطا به شمار می رود. به گفته یوفنگ (برایِت) یه نویسنده اصلی این مقاله این پیشرفت می تواند یکی از گلوگاه های اساسی رایانش کوانتومی را از میان بردارد.

او می گوید: «در محاسبات کوانتومی معمولاً لازم است که میان دور های مختلف اصلاح خطا نتایج محاسبه اندازه گیری شوند. این دستاورد می تواند سرعت ما را برای رسیدن به مرحله رایانش کوانتومی مقاوم در برابر خطا و بهره برداری واقعی از ظرفیت های آن افزایش دهد.»

یه در این پژوهش با کوین اوبراین نویسنده ارشد مقاله و استادیار گروه مهندسی برق و علوم کامپیوتر MIT و سرپرست گروه «الکترونیک کوهرنت کوانتومی» همکاری داشته است. دیگر اعضای تیم تحقیقاتی نیز از MIT آزمایشگاه لینکلن MIT و دانشگاه هاروارد هستند.

ابداع یک کوپلر جدید کوانتومی

این دستاورد فیزیکی بر پایه چندین سال تحقیق نظری در گروه پژوهشی اوبراین حاصل شده است. دکتر یه از زمان پیوستن به این گروه در سال ۲۰۱۹ به عنوان دانشجوی دکتری روی توسعه یک آشکارساز فوتون ویژه برای بهبود پردازش اطلاعات کوانتومی کار کرده است. در جریان این تحقیق او نوع جدیدی از «کوپلر کوانتومی» (quarton coupler) را ابداع کرد؛ دستگاهی که به برقراری تعامل بین کیوبیت ها کمک می کند. کیوبیت ها اجزای بنیادی تشکیل دهنده رایانه های کوانتومی هستند.

کوپلر کوارتون نوعی مدار ابررسانای خاص است که قادر است برهم کنشی بسیار قوی و غیرخطی میان نور و ماده ایجاد کند؛ ویژگی ای که برای اجرای بسیاری از الگوریتم های کوانتومی ضروری است. هرچه جریان بیشتری به این کوپلر وارد شود برهم کنش غیرخطی شدیدتری نیز تولید می گردد. در این زمینه «غیرخطی بودن» به این معناست که رفتار سامانه چیزی فراتر از مجموع اجزای آن است و ویژگی هایی پیچیده تر از انتظار نشان می دهد.

یه توضیح می دهد: «بیشتر تعاملات مفید در محاسبات کوانتومی از طریق برهم کنش غیرخطی میان نور و ماده حاصل می شود. اگر بتوان تنوع بیشتری در انواع این برهم کنش ها ایجاد کرد و قدرت آنها را افزایش داد می توان سرعت پردازش رایانه کوانتومی را نیز بالا برد.»

معماری نوین برای خوانش سریع تر کوانتومی

برای فرآیند خوانش کوانتومی پژوهشگران نور مایکروویو را به یک کیوبیت می تابانند و با توجه به اینکه کیوبیت در حالت صفر یا یک قرار دارد فرکانس تشدیدگر (رزوناتور) مرتبط با آن تغییر می کند. اندازه گیری این تغییر فرکانسی وضعیت کیوبیت را مشخص می سازد. برهم کنش غیرخطی میان نور و ماده میان کیوبیت و تشدیدگر امکان این اندازه گیری را فراهم می سازد.

پژوهشگران MIT با طراحی مداری متشکل از یک کوپلر کوارتون متصل به دو کیوبیت ابررسانا روی یک تراشه این برهم کنش را نشان دادند. در این معماری یکی از کیوبیت ها به صورت تشدیدگر عمل می کند و کیوبیت دیگر به عنوان اتم مصنوعی اطلاعات کوانتومی را ذخیره می سازد. این اطلاعات از طریق فوتون های نور مایکروویو منتقل می شود.

یه می گوید: «تمام ساختار یک رایانه کوانتومی ابررسانا بر پایه تعامل میان این اتم های مصنوعی و نور مایکروویو که حامل سیگنال است بنا شده است.»

قدرت این برهم کنش غیرخطی میان کیوبیت و رزوناتور در این معماری حدود ۱۰ برابر بیشتر از نمونه های قبلی است. این پیشرفت می تواند امکان خوانش فوق سریع اطلاعات کوانتومی را فراهم آورد.

اوبراین در این باره می افزاید: «این پایان راه نیست. آنچه ما انجام داده ایم صرفاً نمایش اصول فیزیکی بنیادی است؛ ولی هم اکنون در گروه روی توسعه مدار خوانشی کار می کنیم که با افزودن اجزای الکترونیکی دیگر مانند فیلترها بتواند در سامانه های کوانتومی بزرگ تر به کار رود.»

کاربرد های آتی و امید به تحقق رایانش کوانتومی واقعی

افزون بر برهم کنش نور و ماده پژوهشگران برهم کنش بسیار قوی بین اجزای مادی (یعنی کیوبیت ها) را نیز به نمایش گذاشته اند؛ نوعی دیگر از تعامل که برای اجرای عملیات کوانتومی اهمیت دارد و محور پژوهش های آینده آنها خواهد بود.

از آنجا که کیوبیت ها طول عمر محدودی دارند (مفهومی که با عنوان «زمان همدوسی» یا coherence time شناخته می شود) سرعت بالا در عملیات و خوانش اهمیتی مضاعف می یابد. با تقویت برهم کنش غیرخطی پردازنده کوانتومی می تواند با دقت بیشتر و در زمان کوتاه تری عمل کند. این به کیوبیت ها امکان می دهد تا در طول عمر کوتاه خود دور های بیشتری از اصلاح خطا را طی کنند و در نهایت خطای نتایج کاهش یابد.

به گفته یه «هرچه بتوان تعداد بیشتری از اصلاحات خطا را اجرا کرد میزان خطای خروجی کمتر خواهد بود.»

در افق بلندمدت این پژوهش می تواند به ساخت رایانه های کوانتومی مقاوم در برابر خطا منجر شود؛ گامی کلیدی برای تحقق محاسبات کوانتومی در مقیاس وسیع و کاربردی.

انتهای پیام/