فراتر از کیوبیت: اجزای کلیدی یک کامپیوتر کوانتومی مبتنی بر qutrits نشان‌داده‌شده

منتشر شده در scitechdaily، به تاریخ ۳ می ۲۰۲۱
لینک منبع Beyond Qubits: Key Components for a Qutrit-Based Quantum Computer Demonstrated

تیمی به رهبری فیزیک‌دانان در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (آزمایشگاه برکلی) و دانشگاه برکلی با موفقیت درهم‌ریختگی اطلاعات کوانتومی را مشاهده کرده‌اند، که تصور می‌شود زمینه‌ساز رفتار سیاه‌چاله‌ها با استفاده ازqutrits باشد: واحدهای کوانتومی ذخیره اطلاعات که می‌توانند سه حالت جداگانه را در یک زمان نشان دهند. تلاش‌های آن‌ها همچنین راه را برای ساخت یک پردازنده اطلاعات کوانتومی مبتنی بر qutrits هموار می‌کند.

پارادوکس اطلاعات سیاه‌چاله

مطالعه جدید، که اخیرا در مجله نقد فیزیکی X منتشر شده است، از یک مدار کوانتومی استفاده می‌کند که از سوال بلند مدت فیزیک الهام‌گرفته است: چه اتفاقی برای اطلاعات زمانی که وارد یک سیاه‌چاله می‌شود می‌افتد؟ فراتر از اتصال به کیهان‌شناسی و فیزیک بنیادی، نقاط عطف فنی تیم که این آزمایش را ممکن ساختند، نشان‌دهنده پیشرفت مهم به سمت استفاده از پردازنده‌های کوانتومی پیچیده‌تر برای محاسبات کوانتومی، رمزنگاری و تشخیص خطا، در میان کاربردهای دیگر است.

در‌حالی‌که سیاه‌چاله‌ها به عنوان یکی از مخرب‌ترین نیروها در جهان در نظر گرفته می‌شوند- ماده و نور نمی‌توانند از کشش خود فرار کنند و به محض ورود به سرعت و به طور کامل درهم‌آمیخته می‌شوند- بحث‌های قابل‌توجهی در مورد این‌که چگونه اطلاعات پس از ورود به یک سیاه‌چاله از دست می‌روند وجود دارد.

آخرین فیزیک‌دان، استفان هاوکینگ نشان داد که سیاه‌چاله‌ها تشعشع ساطع می‌کنند- که امروزه به نام تابش هاوکینگ شناخته می‌شود- زیرا با گذشت زمان به آرامی تبخیر می‌شوند. در اصل، این تابش می‌تواند اطلاعاتی را در مورد آنچه درون سیاه‌چاله است، حمل کند، حتی اجازه بازسازی اطلاعاتی که وارد سیاه‌چاله می‌شود، داشته باشد. و با استفاده از یک ویژگی کوانتومی به نام درهم‌تنیدگی، می توان این بازسازی را به طور قابل‌توجهی سریع‌تر انجام داد، همانطور که در کار قبلی نشان‌داده شده‌بود.

درهم‌آمیختگی کوانتومی از قوانین فیزیک کلاسیک سرپیچی می‌کند و به ذرات اجازه می‌دهد حتی وقتی با فاصله زیاد از هم جدا شوند همبسته باقی بماند تا حالت یک ذره از وضعیت شریک درهم پیچیده خود، شما را مطلع کند. برای مثال، اگر دو سکه روی هم افتاده داشته باشید، چون می‌دانید که وقتی به آن نگاه می‌کنید، یک سکه به طور خودکار به شما خواهد گفت که سکه گره خورده دیگر مثلاً خط است.

بیشتر تلاش‌ها در محاسبات کوانتومی به دنبال استفاده از این پدیده با رمزگذاری اطلاعات به عنوان بیت‌های کوانتومی درهم گره خورده، معروف به کیوبیت (تلفظ یه صورت بیت‌های( CUE هستند. مانند یک بیت کامپیوتر سنتی، که می‌تواند مقدار صفر یا یک را نگه دارد، کیوبیت نیز می‌تواند صفر یا یک باشد. اما علاوه بر این، یک کیوبیت می‌تواند در یک برهم نهی وجود داشته باشد که در آن واحد هم یک و هم صفر است. در قالب یک سکه، مانند شیر یا خط کردن یک سکه است که می‌تواند هم شیر باشد و هم خط و همچنین قرار گرفتن هر دو روی سکه بر روی هم به طور همزمان.

مطالعه مقاله فیزیک‌دانان یک نقطه کوانتومی می‌سازند که می‌تواند ماهیت ماده تاریک را افشا کند! توصیه می‌شود.

قدرت ۳: معرفی qutrits

هر کیوبیت که شما به یک کامپیوتر کوانتومی اضافه می‌کنید قدرت محاسباتی آن را دو برابر می‌کند، و آن افزایش نمایی زمانی رخ می‌دهد که شما از بیت‌های کوانتومی استفاده می‌کنید که قادر به ذخیره‌سازی مقادیر بیشتری مانند کیوتریتس CUE-trits) تلفظ می‌شود) هستند. به همین دلیل، انجام الگوریتم‌های پیچیده قادر به نشان دادن توانایی حل مسائلی است که با استفاده از کامپیوترهای معمولی قابل‌حل نیستند.

گفته می‌شود که تعدادی مانع فنی برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی با تعداد زیادی از بیت‌های کوانتومی وجود دارد که می‌توانند به طور مطمئن و موثر در حل مشکلات به روش واقعی کوانتومی عمل کنند. در آخرین مطالعه، محققان چگونگی توسعه یک پردازنده کوانتومی که قادر به رمزگذاری و انتقال اطلاعات با استفاده از یک سری پنج‌تایی qutrits است را به تفصیل شرح می‌دهند، که هر کدام از آن‌ها می‌توانند به طور همزمان سه حالت را نشان دهند. و علی‌رغم محیط پر سر و صدا، ناقص، و مستعد خطا در اتصال کوانتومی، آن‌ها دریافتند که پلتفرم آن‌ها به طرز شگفت‌آوری انعطاف‌پذیر و قوی است.

کیوتریتس می‌توانند مقدار صفر، یک یا دو داشته باشند که همه این حالت‌ها را در هم نگه می‌دارد. در مقایسه با سکه، مانند سکه‌ای است که امکان دارد به صورت شیر، خط، یا بر روی لبه نازک خود فرود آید. نورمن یائو، یک دانشمند دانشکده در بخش علوم مواد آزمایشگاه برکلی و استادیار فیزیک در دانشگاه برکلی که به هدایت برنامه‌ریزی و طراحی آزمایش کمک کرد، گفت: «یک سیاه‌چاله، رمزگذار بسیار خوبی از اطلاعات است.» « این مساله به سرعت پخش می‌شود، به طوری که هر صدای محلی زمان بسیار سختی برای از بین بردن این اطلاعات دارد.»

اما او افزود: کدگذار به قدری خوب است که رمزگشایی این اطلاعات نیز بسیار دشوار است.

ممکن است علاقه‌مند به مطالعه تصاویر صوتی ناسا و نمایش چگونگی کهکشان‌ٰها و سیاه‌چاله‌ها باشید.

ایجاد یک آزمایش برای تقلید از درهم‌ریختگی کوانتومی

این تیم در آزمایشی که از دستگاه‌های کوچکی به نام اسیلاتورهای هارمونیک غیر‌خطی به عنوان qutrits استفاده می‌کرد، به دنبال تکرار نوع آلوده کردن سریع اطلاعات کوانتومی بود. این نوسانگرهای هارمونیک غیر خطی در اصل وزن‌هایی با اندازه زیر میکرون بر روی فنرهایی هستند که می‌توانند در چندین فرکانس متمایز هنگامی که در معرض پالس‌های مایکروویو قرار می‌گیرند، هدایت شوند.

عرفان صدیقی، نویسنده اصلی این مطالعه، خاطر نشان کرد که یک مشکل رایج در ساخت این نوسانگرها به عنوان qutrits، این است که ماهیت کوانتومی آن‌ها به سرعت از طریق سازوکاری که تجزیه نامیده‌ شده، متلاشی می‌شود، بنابراین تشخیص اینکه درگیری اطلاعات به واقع کوانتومی بوده یا ناشی از تجزیه یا تداخل دیگری است، دشوار می‌باشد. صدیقی مدیر آزمایشگاه پیشرفته کوانتومی برکلی، یک دانشمند دانشکده در بخش تحقیقات محاسباتی و علوم مواد آزمایشگاه، و استاد فیزیک در دانشگاه برکلی است.

بستر آزمایشی که پذیرش پروپوزال جامعه علوم کوانتومی در سال ۲۰۲۰ را آغاز کرد، یک آزمایشگاه تحقیقاتی مشارکتی است که دسترسی آزاد و باز برای کاربرانی که می‌خواهند کشف کنند که چگونه می‌توان از پردازنده‌های کوانتومی ابررسانا برای پیشبرد تحقیقات علمی استفاده کرد را فراهم می‌کند. نمایش درگیری یکی از اولین نتایج برنامه بستر آزمایشی کاربر است.

صدیقی گفت: در اصل، یک سیاه‌چاله مجزا، درگیری را نشان داده، اما هر سیستم آزمایشی نیز ضرر ناشی از تجزیه را نشان می‌دهد. در یک آزمایشگاه، شما چگونه بین این دو تمایز قائل می‌شوید؟

کلید این مطالعه، حفظ انسجام یا الگوبندی منظم سیگنال حمل‌شده توسط نوسانگرها برای مدت طولانی بود تا نشان دهد که حرکت کوانتومی از طریق دور کردن یک qutrit رخ می‌دهد. در حالی که انتقال از راه دور ممکن است تصویر علمی‌تخیلی از افراد «درخشان» یا اشیا از سطح یک سیاره به یک سفینه فضایی را به ذهن متبادر کند، در این مورد، تنها انتقال اطلاعات -نه ماده- از یک مکان به مکان دیگر از طریق گرفتار شدن کوانتومی وجود دارد.

یکی دیگر از موارد ضروری، ایجاد گیت‌های منطقی سفارشی است که تحقق «مدارهای کوانتومی جهانی» را ممکن می‌سازد که می‌تواند برای اجرای الگوریتم‌های دلخواه مورد استفاده قرار گیرد. این دروازه‌های منطقی به جفتqutrits اجازه تعامل با یکدیگر را داده و برای رسیدگی به سه سطح مختلف از سیگنال‌های تولید شده توسط پالس‌های مایکروویو طراحی شده‌اند.

یکی از پنج qutrits در آزمایش به عنوان ورودی عمل کرد و چهار qutrits در جفت‌های درهم‌پیچیده قرار گرفتند. به دلیل ماهیت درهم‌تنیدگی qutrits، اندازه‌گیری مشترک یکی از جفت qutrits ها پس از مدار نحوی تضمین می‌کند که وضعیت qutrit ورودی به qutrit دیگر ارسال شده‌است.

سیاه‌چاله‌ها و کرم‌چاله‌های آینه‌ای

محققان از تکنیکی به نام توموگرافی فرآیند کوانتومی استفاده کردند تا تایید کنند که دروازه‌های منطقی کار کرده و اطلاعات به درستی به‌هم‌ریخته شده‌اند، به طوری که احتمال ظاهر شدن آن در هر بخش از مدار کوانتومی وجود دارد.

صدیقی گفت که یکی از روش‌های تفکر در مورد نحوه انتقال اطلاعات qutrits درهم، مقایسه آن با یک سیاه‌چاله است. مثل این است که یک سیاه‌چاله و نسخه آینه‌ای آن سیاه‌چاله وجود دارد، به طوری که اطلاعاتی که از یک طرف سیاه‌چاله آینه‌ای عبور می‌کنند از طریق درهم آمیزی به طرف دیگر منتقل می‌شوند.

با نگاهی به جلو، صدیقی و یائو به طور خاص علاقمند به استفاده از قدرت qutrits برای مطالعات مربوط به کرم‌چاله‌های قابل عبور هستند که برای مثال معابر نظری مرتبط با مکان‌های جداگانه در جهان را پیوند می دهند.

این متن با استفاده از ربات مترجم مقاله فیزیک 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.