ترفند جادویی کلاسیک می‌تواند محاسبات کوانتومی را ممکن سازد

منتشر شده در phys به تاریخ ۲۲ ژوئن، ۲۰۲۱
لینک منبع: Classic magic trick may enable quantum computing

محاسبات کوانتومی می‌تواند مشکلاتی را حل کند که برای سیستم‌های کامپیوتری سنتی دشوار هستند. ممکن است مثل جادو به نظر برسد. یک گام به سمت دستیابی به محاسبات کوانتومی حتی شبیه ترفند جادوگران است: معلق شدن. یک پروژه جدید در ساختمان شتاب‌دهنده ملی انرژی توماس جفرسون ایالات‌متحده، این ترفند را با زنده‌سازی یک ذره میکروسکوپی در یک محفظه فرکانس رادیویی ابررسانا (SRF) برای مشاهده پدیده‌های کوانتومی انجام خواهد داد.

به طور معمول در آزمایشگاه جفرسون و دیگر تاسیسات شتاب‌دهنده ذرات، حفره‌های SRF امکان مطالعه هسته اتم را فراهم می‌کند. آن‌ها این کار را با شتاب دادن ذرات زیر اتمی مانند الکترون‌ها انجام می‌دهند. این پروژه از همان نوع حفره استفاده می‌کند تا به جای آن یک ذره میکروسکوپی از فلز، بین ۱ تا ۱۰۰ میکرومتر قطر را با میدان الکتریکی حفره را شناور کند.

درو ویسنبرگر، محقق اصلی این پروژه و همچنین رئیس گروه شناسایی و تصویربرداری تشعشع در بخش فیزیک هسته‌ای تجربی در آزمایشگاه جفرسون گفت: «هیچ‌کس تاکنون به صورت عمدی یک ذره را در یک میدان الکتریکی در خلا با استفاده از حفره‌های SRF معلق نکرده است.»

اگر تیم پروژه بتواند ذره را شناور کند، ممکن است بتواند با خنک کردن ذره به‌دام‌افتاده در پایین‌ترین سطح انرژی ممکن، یک حالت کوانتومی بر روی آن اعمال کند (زیرا این زمانی است که خواص کوانتومی رخ می‌دهد(.

پاشپاتی داکال، یک محقق اصلی دیگر در این پروژه و یک دانشمند ستادی در آزمایشگاه جفرسون در بخش عملیات، تحقیق و توسعه Accelerator گفت: «ذخیره اطلاعات کوانتومی بر روی یک نانوذره زنده هدف نهایی ما است، اما در حال حاضر، این اثبات آزمایش اصلی است.»

ما می‌خواهیم بدانیم که آیا می‌توانیم ذرات درون حفره را با استفاده از میدان الکتریکی به دام انداخته و شناور کنیم.

بررسی کوانتومی با حفره‌های شتاب‌دهنده

ایده این پروژه از مشاهدات متخصصان شتاب‌دهنده به دست آمد. آن‌ها فکر می‌کنند که در حال حاضر نانوذرات ناخواسته و نادر فلزی مانند نیوبیم و آهن را به صورت ناخواسته در داخل حفره‌های SRF در طول عملیات شتاب‌دهنده ذرات رسوب داده‌اند. آن‌ها مظنون هستند که این شناوری غیر عمد بر عملکرد اجزای حفره SRF تاثیر گذاشته‌است.

محققان در حال تلاش برای استفاده از یک تکنیک چند دهه‌ای به نام «به دام انداختن لیزر» به عنوان گامی به سمت ایجاد حالت کوانتومی مطمئن بر روی ذره معلق در یک پرتو لیزر هستند. اما تیم پروژه آزمایشگاه جفرسون فکر می‌کند که حفره‌های SRF ممکن است ابزار بهتری را برای آن محققان فراهم کند.

ویسنبرگر گفت: «یک میدان الکتریکی می‌تواند به طور بالقوه فراتر از قابلیت‌های به دام انداختن لیزر برود.»

ویژگی‌های ذاتی حفره‌های SRF بر برخی محدودیت‌های به دام اندازی لیزر غلبه خواهند کرد. ذره شناور در یک حفره SRF که تحت خلا بوده و تا دماهای بسیار سرد، سرد شده‌است، تنها با میدان الکتریکی حفره در تعامل بوده و اطلاعات را به بیرون از دست نمی‌دهد که برای حفظ حالت کوانتومی حائز اهمیت می‌باشد.

ویسنبرگر گفت: «مانند ذخیره‌سازی اطلاعات بر روی یک تراشه کامپیوتری، وضعیت کوانتومی باقی خواهد ماند و از بین نخواهد رفت.» «و این امر در نهایت می‌تواند منجر به کاربردهایی در محاسبات کوانتومی و ارتباطات کوانتومی شود.»

این پروژه، با عنوان «سطح SRF و ردیابی آزمایش نانو ذرات»، توسط برنامه تحقیق و توسعه جهت‌گیری شده آزمایشگاهی تامین مالی می‌شود، که منابعی را برای پرسنل آزمایشگاه جفرسون فراهم می‌کند تا کمک‌های سریع و قابل‌توجهی به مسایل مهم علمی و فن‌آوری مرتبط با ماموریت آزمایشگاه جفرسون و DOE انجام دهند.

یک رویکرد چند رشته‌ای

این پروژه در اکتبر سال ۲۰۲۰ و پیش از آنکه به آزمایشگاه ملی اوک ریج منتقل شود، توسط «رونگلی گنگ» طراحی و راه‌اندازی شد. این تیم اکنون به یک تیم بزرگ‌تر و چند رشته‌ای به رهبری وایزنبرگر و داکال، محققان اصلی فعلی، تغییر یافته‌است.

گروه وایزنبرگر در زمینه فن‌آوری آشکار ساز برای تحقیقات فیزیک هسته‌ای تحقیق می‌کند، در حالی که تحقیقات داکالز بر توسعه حفره‌های SRF برای سرعت بخشیدن به الکترون‌ها در سرعت‌های بالا تمرکز دارد. وایزنبرگر می‌گوید که رویکرد چند رشته‌ای، تخصص آن‌ها را در زمانی که با هم به قلمرو کم‌تر آشنا با این پروژه LDRD تقسیم می‌شوند، گرد هم می‌آورد.

هر دوی محققان اصلی اظهار می‌دارند که این پروژه به لطف تلاش و تخصص هر یک از اعضای تیم به خوبی پیش می‌رود. اعضای تیم عبارتند از جان موسون، فرانک مارهاوزر، هایپنگ وانگ، ونز شی، برایان کروس و جک مککیسون.

وایزنبرگر گفت: «این یک گام جالب خارج از کارهای معمولی است که ما انجام می‌دهیم.»

برنامه LDRD دانشمندان و مهندسان آزمایشگاه جفرسون را در مورد یک سوال تحقیقاتی که مستقیماً مربوط به کاری نیست که ما برای انجام کار استخدام شده‌ایم، رها می‌کند، اما از تمام تخصصی که ما ارائه می‌دهیم استفاده می‌کند و یک منبع عالی برای آزمایش کشش است.

این کاری است که ما با این پروژه انجام می‌دهیم، کشش.

ساخت و آزمایش

قبل از بررسی پروژه بر روی وایزنبرگر و داکال، جن و همکارانش پارامترهای مورد نیاز حفره و میدان الکتریکی را با شبیه‌سازی و محاسبات تعیین کرده‌اند.

داکال گفت: «ما همه چیز را روی کاغذ داریم اما باید آن را به واقعیت تبدیل کنیم.»

این تیم در حال حاضر در حال انجام آزمایش در زندگی واقعی است.

ویسنبرگر گفت: «ما باید ببینیم که آیا آنچه شبیه‌سازی شده واقعا می‌تواند اتفاق بیفتد یا خیر.»

اول، آن‌ها یک مدل آزمایشی را در دمای اتاق گرد هم می‌آورند. سپس آن‌ها هلیوم مایع را در اطراف سطوح خارجی حفره گردش می‌دهند تا آن را خنک کنند و به دماهای ابررسانایی نزدیک به صفر مطلق برسانند.

قسمت بعدی سخت‌ترین قسمت است. آن‌ها باید یک ذره میکروسکوپی را در ناحیه صحیح حفره بدست آورند در حالی که حفره درون ظرف در دماهای ابررسانایی، تحت خلا و با میدان الکتریکی بر روی آن مهار شده‌است.

وایزنبرگر گفت: «ما راهی برای پرتاب از راه دور یک ذره در حفره تحت شرایط آزمایشگاهی پیدا کرده‌ایم، اکنون فقط باید آن را آزمایش کنیم.» در دنیای تحقیق و توسعه، شما اغلب نمی‌توانید کاری را که فکر می‌کردید می‌توانید انجام دهید. ما سعی می‌کنیم مشکلات را آزمایش کرده و حل کنیم و به کار خود ادامه دهیم.

این یک پروژه یک ساله و بسته به اینکه اوضاع چگونه پیش می‌رود با امکان سرمایه‌گذاری مجدد یک ساله است. همچنین این یک مرحله اولیه، اثبات پروژه اصلی است. اگر در نهایت موفق باشد، هنوز راهی طولانی از تحقیق و توسعه، قبل از اینکه بتوان مفاهیم را برای ساختن کامپیوترهای کوانتومی به کار برد، وجود دارد. چنین کامپیوترهایی نیاز به شناورسازی و انتقال حالت‌های کوانتومی بر روی ده‌ها تا صدها هزاران ذره بسیار کوچک‌تر به طور قابل‌پیش‌بینی و قابل اطمینانی دارند.

با این حال، محققان به دنبال کشفیاتی هستند که امیدوارند این مطالعه بتواند با در نظر گرفتن جذب ذرات میکروسکوپی و مشاهده بالقوه، یک حالت کوانتومی را ممکن سازد.

داکال گفت: «من خوشبین هستم.» در هر صورت، ما چیزی را کشف خواهیم کرد. شکست به همان اندازه موفقیت بخشی از R&D است. شما از هر دو چیز یاد می‌گیرید. اساسا، چه ذره معلق باشد و چه نباشد، و چه ما بتوانیم حالت کوانتومی را به آن منتقل کنیم یا نه، آن چیزی است که هرگز قبلا انجام‌نشده است. این کار بسیار چالش برانگیز و هیجان‌انگیز است.

این متن با استفاده از ربات مترجم مقالات فیزیک کوانتوم ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.