محققان با یک مانع بزرگ در محاسبات کوانتومی روبرو هستند.

منتشر‌شده در phys.org به تاریخ ۵ مه ۲۰۲۱
لینک منبع Researchers confront major hurdle in quantum computing

علم کوانتوم این پتانسیل را دارد که تکنولوژی مدرن را با کامپیوترهای کارآمدتر، ارتباطات و دستگاه‌های حسی متحول کند. اما چالش‌ها در دستیابی به این اهداف تکنولوژیکی باقی می‌مانند، به خصوص زمانی که بحث انتقال موثر اطلاعات در سیستم‌های کوانتومی مطرح باشد. بیت‌ها برای نمایش اطلاعات در کامپیوترهای معمولی به کار می‌روند. از سوی دیگر، کامپیوترهای کوانتومی مبتنی بر بیت‌های کوانتومی هستند که به عنوان کیوبیت نیز شناخته می‌شوند که می‌توانند از یک الکترون منفرد ساخته شوند.

برخلاف ترانزیستورهای معمولی، که می‌توانند «۰» (off) یا «۱» (on) باشند، کیوبیت‌ها می‌توانند در یک زمان «۰» و «۱» باشند. توانایی کیوبیت‌های منفرد برای اشغال این به اصطلاح حالت برهم نهی که در آن به طور همزمان در حالت‌های چندگانه هستند، زیربنای پتانسیل بزرگ کامپیوترهای کوانتومی است. با این حال، درست مانند کامپیوترهای معمولی، کامپیوترهای کوانتومی به راهی برای انتقال اطلاعات کوانتومی بین کیوبیت‌های دور نیاز دارند-و این یک چالش تجربی بزرگ را نشان می‌دهد.

ممکن است به مطالعه مقاله بازنویسی قوانین علت و معلول توسط ماهیت کوانتومی علاقمند باشید.

در مجموعه‌ای از مقالات منتشر‌شده در ارتباطات طبیعی، محققان در دانشگاه روچستر، از جمله جان نیکول، استادیار فیزیک و ستاره‌شناسی، و دانشجویان تحصیلات تکمیلی یاداو کاندل و هایفانگ کیائو، نویسندگان اصلی مقالات، گام‌های بزرگی در افزایش محاسبات کوانتومی با بهبود انتقال اطلاعات بین الکترون‌ها در سیستم‌های کوانتومی گزارش کرده‌اند.

در یک مقاله، محققان یک مسیر انتقال اطلاعات بین کیوبیت‌ها به نام انتقال حالت کوانتومی بی دررو (AQT) را برای اولین بار با کیوبیت‌های الکترون-اسپینی نشان دادند. برخلاف بیشتر روش‌های انتقال اطلاعات بین کیوبیت‌ها، که متکی بر پالس‌های الکتریکی یا مغناطیسی تنظیم‌شده دقیق هستند، AQT به اندازه خطاهای پالس و نویز تحت‌تاثیر قرار نمی‌گیرد.

برای دیدن نحوه کار این ماشین، تصور کنید که ماشین خود را می‌رانید و می‌خواهید آن را پارک کنید. اگر در زمان مناسب ترمز نکنید، اتومبیل جایی که می‌خواهید نخواهد بود و این می‌تواند عواقب منفی به همراه داشته باشد. در این حالت، پالس‌های کنترلی-پدال‌های گاز و ترمز-باید به دقت تنظیم شوند. با این تفاوت که واقعا مهم نیست چه مدت پدال‌ها را فشار می‌دهید یا چقدر آن‌ها را سخت فشار می‌دهید: ماشین همیشه در نقطه مناسب قرار می‌گیرد. در نتیجه، AQT این پتانسیل را دارد که انتقال اطلاعات بین کیوبیت‌ها را بهبود بخشد، که برای شبکه کوانتومی و تصحیح خطا ضروری است.

محققان کارایی AQTT را با استفاده از درهم‌تنیدگی نشان دادند-یکی از مفاهیم اساسی فیزیک کوانتوم که در آن خواص یک ذره بر خواص ذره دیگر تاثیر می‌گذارد، حتی زمانی که ذرات با فاصله زیادی از هم جدا می‌شوند. محققان قادر به استفاده ازAQT برای انتقال حالت اسپین کوانتومی یک الکترون در طول زنجیره‌ای از چهار الکترون در نقاط کوانتومی نیمه‌رسانا-نیمه‌رساناهای کوچک در مقیاس نانو با خواص قابل‌توجه-بودند. این طولانی‌ترین زنجیره‌ای است که در آن یک حالت چرخشی منتقل شده است، و رکورد تعیین‌شده توسط محققان در مقاله طبیعت قبلی را گره می‌زند.

نیکول می‌گوید: «از آنجا کهAQT در برابر خطاهای پالس و نویز مقاوم است، و به دلیل کاربردهای بالقوه اصلی آن در محاسبات کوانتومی، این نمایش نقطه عطفی کلیدی برای محاسبات کوانتومی با کیوبیت‌های اسپینی است.»

بهره‌برداری از یک موضوع عجیب

در مقاله دوم، محققان تکنیک دیگری از انتقال اطلاعات بین کیوبیت‌ها را با استفاده از یک حالت عجیب ماده به نام کریستال زمانی نشان دادند. یک کریستال زمانی حالت عجیبی از ماده است که در آن فعل و انفعالات بین ذراتی که کریستال را می‌سازند می‌توانند نوسانات سیستم را به طور نامحدود پایدار کنند. ساعتی را تصور کنید که برای همیشه در حال تیک تاک زدن است؛ آونگ ساعت در طول زمان نوسان می‌کند، درست مانند کریستال زمان در حال نوسان.

با اجرای یک سری پالس‌های میدان الکتریکی بر روی الکترون‌ها، محققان قادر به ایجاد یک حالت مشابه با یک کریستال زمانی بودند. آن‌ها دریافتند که می‌توانند از این حالت برای بهبود انتقال حالت اسپین یک الکترون در زنجیره‌ای از نقاط کوانتومی نیمه‌رسانا استفاده نمایند. نیکول می‌گوید: «کار ما اولین گام‌ها را به سمت نشان دادن این موضوع برمی دارد که چگونه حالت‌های عجیب و غریب ماده، مانند کریستال‌های زمان، می‌توانند به طور بالقوه با استفاده از کاربردهای پردازش اطلاعات کوانتومی، مانند انتقال اطلاعات بین کیوبیت ها، مورد استفاده قرار گیرند.» «ما همچنین به صورت نظری نشان می‌دهیم که چگونه این سناریو می‌تواند عملیات تک و چند کیوبیت دیگری را اجرا کند که می‌تواند برای بهبود عملکرد کامپیوترهای کوانتومی مورد استفاده قرار گیرد.»

هر دو کریستال AQT و زمان، در‌حالی‌که متفاوت هستند، می‌توانند به طور همزمان با سیستم‌های محاسبات کوانتومی برای بهبود عملکرد مورد استفاده قرار گیرند. نیکول می‌گوید: «این دو نتیجه راه‌های عجیب‌و‌جالبی را نشان می‌دهند که فیزیک کوانتوم اجازه می‌دهد اطلاعات از یک مکان به مکان دیگر فرستاده شوند، که یکی از چالش‌های اصلی در ساخت کامپیوترها و شبکه‌های کوانتومی زنده است.»

این متن با استفاده از ربات مترجم مقاله علوم کامپیوتر 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.