قطعه گم‌شده در پازل محاسبات کوانتومی نوری کشف می‌شود

منتشر شده در scitechdaily به تاریخ ۳۰ ژوئن ۲۰۲۱
لینک منبع Missing Piece Discovered in the Puzzle of Optical Quantum Computing

یک گیت منطقی کوانتومی دو بیتی کارآمد تا به امروز دور از دسترس بوده‌است.

تحقیقات دانشکده مهندسی مک کلوی در دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس، یک قطعه گم‌شده در پازل محاسبات کوانتومی نوری را پیدا کرده است.

جانگ-سونگ شن، دانشیار گروه مهندسی سیستم‌های الکتریکی پریستون ام، یک گیت منطقی کوانتومی دو بیتی قطعی و با دقت بالا ایجاد کرده‌است که از شکل جدیدی از نور بهره می‌برد. این گیت منطقی جدید از نظر بزرگی کارآمدتر از تکنولوژی فعلی است.

شن گفت: « در حالت ایده‌آل، وفاداری می‌تواند ۹۷ درصد باشد.»

تحقیق او در ماه می سال ۲۰۲۱ در مجله نقد فیزیکی A منتشر شد.

پتانسیل کامپیوترهای کوانتومی به خواص غیر معمول برهم نهی بستگی دارد - توانایی یک سیستم کوانتومی برای در بر گرفتن بسیاری از خواص متمایز، یا حالت‌ها، در همان زمان-و درهم‌تنیدگی-دو ذره طوری عمل می‌کنند که انگار به شیوه‌ای غیر کلاسیک با یکدیگر در ارتباط هستند، با وجود این که از لحاظ فیزیکی از یکدیگر جدا شده‌اند.

هنگامی که ولتاژ مقدار یک بیت (۱ یا ۰) را در یک کامپیوتر کلاسیک تعیین می‌کند، محققان اغلب از الکترون‌های منفرد به عنوان «کیوبیت»، معادل کوانتومی، استفاده می‌کنند. الکترون‌ها ویژگی‌های مختلفی دارند که برای آن‌ها مناسب هستند: آن‌ها به راحتی توسط میدان الکتریکی یا مغناطیسی دستکاری می‌شوند و با یکدیگر در تعامل هستند. تعامل زمانی سودمند است که شما به دو قطعه برای گرفتار شدن نیاز دارید-اجازه دهید حیات وحش مکانیک کوانتومی آشکار شود.

اما تمایل آن‌ها به تعامل نیز یک مشکل است. همه چیز از میدان‌های مغناطیسی سرگردان گرفته تا خطوط برق می‌تواند بر الکترون‌ها تاثیر بگذارد و کنترل واقعی آن‌ها را سخت کند.

با این حال، در دو دهه گذشته، برخی دانشمندان در تلاش برای استفاده از فوتون‌ها به عنوان کیوبیت به جای الکترون‌ها بوده‌اند. شن گفت: « اگر کامپیوترها می‌خواهند تاثیر واقعی داشته باشند، ما باید با استفاده از نور به ایجاد پلتفرم بپردازیم.»

فوتون‌ها هیچ بار الکتریکی ندارند، که می‌تواند منجر به مشکلات متضاد شود: آن‌ها مانند الکترون‌ها با محیط در تعامل نیستند، اما با یکدیگر نیز در تعامل نیستند. مهندسی و ایجاد تعاملات تک کاره (موثر) بین فوتون نیز چالش برانگیز بوده‌است.

کم‌تر از یک دهه پیش، دانشمندانی که روی این مسئله کار می‌کردند کشف کردند که حتی اگر هنگام ورود به یک درگاه منطقی درگیر نباشند، عمل اندازه‌گیری دو فوتون هنگام خروج منجر به رفتار آن‌ها مانند آنچه در گذشته بوده است، می‌شود. ویژگی‌های منحصر به فرد اندازه‌گیری، جلوه‌ای وحشی دیگر از مکانیک کوانتوم است.

شن گفت: « مکانیک کوانتوم دشوار نیست، اما پر از شگفتی است.»

کشف این معیار بسیار پیشگامانه بود، اما کاملا در حال تغییر نبود. علت آن این است که برای هر ۱،۰۰۰،۰۰۰ فوتون، تنها یک جفت درگیر شدند. از آن زمان محققان موفق‌تر بوده‌اند، اما شن گفت: «هنوز هم به اندازه کافی برای یک کامپیوتر که باید میلیونها تا میلیاردها عملیات در ثانیه انجام دهد خوب نیست،»

شن به دلیل کشف کلاس جدیدی از حالت‌های فوتونیکی کوانتومی یعنی دایمرهای فوتونیکی، فوتون‌هایی که هم در فضا و هم در فرکانس گرفتار شده‌اند، قادر به ساخت یک گیت منطقی کوانتومی دو بیتی با این بازدهی بوده‌است. پیش‌بینی او از وجود آن‌ها به طور تجربی در سال ۲۰۱۳ تایید شد و او از آن زمان در حال یافتن کاربردهایی برای این شکل جدید از نور بوده‌است.

هنگامی که یک فوتون وارد یک گیت منطقی می‌شود، هیچ اتفاق قابل‌توجهی رخ نمی‌دهد-وارد می‌شود و بیرون می‌آید. اما وقتی دو فوتون‌ وجود داشته باشند، این زمانی است که ما پیش‌بینی کرده‌ایم که این دو می‌توانند یک حالت جدید، یعنی دایمرهای فوتونیکی ایجاد کنند. معلوم شد که این دولت جدید حیاتی است.

از لحاظ ریاضی، راه‌های زیادی برای طراحی یک دروازه منطقی برای عملیات دو بیتی وجود دارد. این طرح‌های مختلف معادل نامیده می‌شوند. دروازه منطقی خاصی که شن و گروه تحقیقاتی او طراحی کرده‌اند، دروازه فاز کنترل‌شده (یا دروازه Z کنترل‌شده) است. عملکرد اصلی گیت فاز کنترل شده این است که دو فوتونی که بیرون می‌آیند در حالت منفی دو فوتونی هستند که وارد می‌شوند.

شن گفت: « در مدارهای کلاسیک هیچ علامت منفی وجود ندارد.» « اما در محاسبات کوانتومی، علامت منفی وجود دارد و حیاتی است.»

« مکانیک کوانتوم دشوار نیست، اما پر از شگفتی است.»

یونگ-سونگ شن

شن گفت: هنگامی که دو فوتون‌ مستقل (که دو کیوبیت نوری را نشان می‌دهند) وارد دروازه منطقی می‌شوند، طراحی دروازه منطقی به گونه‌ای است که دو فوتون‌ می‌توانند یک دایمر فوتونی را تشکیل دهند. معلوم می‌شود که حالت فوتونیکی کوانتومی جدید بسیار مهم است زیرا این حالت خروجی را قادر می‌سازد تا علامت صحیحی داشته باشد که برای عملیات منطق نوری ضروری است.

شن با دانشگاه میشیگان هم‌کاری می‌کند تا طرح خود را آزمایش کند، که یک گیت منطقی حالت جامد است-موردی که می‌تواند تحت شرایط متوسط عمل کند. او می‌گوید تا کنون نتایج مثبت به نظر می‌رسند.

شن می‌گوید که این نتیجه، در حالی که برای بیشتر مردم گیج‌کننده است، برای کسانی که می‌دانند روز روشن است.

او گفت: « این مثل یک معما است.» « انجام این کار ممکن است دشوار باشد، اما زمانی که این کار انجام شود، تنها با نگاه کردن به آن خواهید دانست که درست است.»

این متن با استفاده از ربات مترجم مقالات 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.