نور معمولی برای انجام محاسبات کوانتومی چقدر کارآمد است؟

منتشر‌شده در spectrum.ieee به تاریخ ۲۷ آوریل ۲۰۲۱
لینک منبع How Close Is Ordinary Light To Doing Quantum Computing?

با استفاده از یک لیزر ساده از نوعی که در آزمایشگاه‌های اپتیک دوره کارشناسی یافت می‌شود، فیزیک‌دانان ممکن است قادر به انجام برخی از محاسبات مشابه به عنوان یک کامپیوتر کوانتومی باشند که در دماهای بالا کار می‌کند. ترفند، استفاده از نور گرفتار شده کلاسیک است، پدیده‌ای که دارای برخی خواص مشابه با درهم‌تنیدگی سنتی است که از مکانیک کوانتومی ایجاد شده است. محققان یجی شن از دانشگاه تسینگوآ، پکن، چین، و دانشگاه ساوتمپتون، انگلستان، و اندرو فوربس از دانشگاه ویسواتراند، ژوهانسبورگ، آفریقای جنوبی نشان دادند که می‌توانند پرتو نوری با درگیری‌های متعدد در مقاله اخیر در مجله نور: علم و کاربردها ایجاد کنند. و همه اینها با آینه انجام‌ شده است.

فوربس، استاد فیزیک در ویساتراند و رهبر این تحقیق می‌گوید: «اگرچه همیشه در جهان کوانتوم صحبت می‌شود، ایده گرفتار شدن در واقع منحصر به مکانیک کوانتومی نیست.» در حوزه کوانتومی، درهم‌تنیدگی به این معنی است که دو ذره-الکترون‌ها یا فوتون‌ها، برای مثال-دارای ویژگی‌هایی هستند که اساسا بین جفت مرتبط هستند. این ممکن است پلاریزاسیون یا چرخش باشد، یک ویژگی کوانتومی که می‌تواند به عنوان یک آهن‌ربا میله‌ای در نظر گرفته شود که به بالا یا پایین یا جایی بین آن‌ها اشاره می‌کند. اگر یک ذره در یک جفت درگیر به سمت بالا بچرخد، ذره دیگر به سمت پایین می‌چرخد. اندازه‌گیری یکی از آن‌ها اطلاعاتی را در مورد دیگری فراهم می‌کند، حتی اگر ذرات در دو سوی جهان باشند. این ویژگی‌ها، به زبان فیزیک، غیرقابل‌تفکیک هستند؛ شما نمی‌توانید یکی را بدون دیگری داشته باشید.

مطالعه مقاله محاسبات کوانتومی چیست؟ توصیه می‌شود.

در نور پیچیده کلاسیک، به جای آن ویژگی‌های تفکیک‌ناپذیر که بین دو ذره تقسیم می‌شوند، آن‌ها در یک پرتو نور واحد وجود دارند. فوربس می‌گوید: «به جای اندازه‌گیری یک ویژگی از دو فوتون، شما دو ویژگی از یک پرتو را اندازه‌گیری می‌کنید و معلوم می‌شود که یک چیز یک‌سان است.» در این مورد، خواص، مسیرهایی هستند که گروهی از فوتون‌ها در پرتو لیزر دنبال می‌کنند. فوربس می‌گوید: «این یک پرتو منسجم است، اما بسیاری از مسیرها را در فضا دنبال می‌کند.» هر یک از این مسیرها یک درجه آزادی است و دانشمندان می‌توانند اطلاعات مربوط به آن درجات آزادی را با اختصاص دادن یک مقدار متفاوت به هر یک از آن‌ها-به جای ۰ ثانیه و ۱ ثانیه محاسبات دیجیتال-رمزگذاری کنند، آن‌ها ممکن است مسیرهای مختلف ۱تا ۸ را نام ببرند و از آن‌ها در محاسبات خود استفاده کنند.

نور گرفتار کلاسیک، که گاهی اوقات «نور ساختار یافته» نامیده می‌شود، مفهوم جدیدی نیست. اما تاکنون هیچ کس بیش از دو مورد را در آن واحد به دام نینداخته بود. فوربس می‌گوید که روش گروه او می‌تواند تعداد بی‌شماری از مسیرها را با هم ترکیب کند، اگرچه محدودیت‌های تجهیزات آن‌ها ممکن است یک محدودیت عملی را تحمیل کند. گروه او در مقاله خود هشت درجه آزادی را در یک تیر نشان دادند.

آن‌ها این کار را به سادگی با تغییر فاصله بین آینه‌ها در حفره لیزر انجام می‌دهند. یکی از آن‌ها، یک آینه کاملا بازتابنده، تخت است، در‌حالی‌که آینه دوم مانند یک لنز انحنا دارد، و اجازه می‌دهد برخی از درصد فوتون‌هایی که به آن برخورد می‌کنند از میان آن عبور کنند. هنگامی که آینه‌ها فاصله مناسبی را از هم جدا می‌کنند، برخی از فوتون‌ها با زاویه مخالف به آن برخورد می‌کنند، به آینه پشتی برخورد می‌کنند و در یک نقطه دیگر بر روی آینه خمیده خم می‌شوند. فوتون‌هایی که از نقاط مختلف در آینه عبور می‌کنند، الگو را ایجاد می‌کنند. دانشمندان تنها با حرکت دادن آینه می‌توانند زوایای پرتوهای نور و در نتیجه الگوها را تغییر دهند.

فوربس می‌گوید: «این تعداد بی‌شماری مسیر است که شما می‌توانید آن‌ها را بالا، پایین، چپ، راست، قطر بگیرید.» «نه تنها ما توانستیم نوری بسازیم که مسیرهای مختلف بسیاری را در یک زمان بگیرد، بلکه می‌توانیم اطلاعات را در آن مسیرها کدگذاری کنیم تا به نظر برسد که ما یک حالت کوانتومی چند فوتونی با ابعاد بالا داریم.» به گفته فوربز، از آنجا که محاسبات کوانتومی متکی بر ذرات موجود در حالت‌های چندگانه است، برخی از الگوریتم‌های ایجاد شده برای آن را می‌توان با استفاده از نور درهم‌پیچیده کلاسیک اجرا کرد. این امر جایگزین کامپیوترهای کوانتومی که محققان در تلاش برای ساخت آن هستند، نمی‌شود، بلکه پلی بین آن‌ها و کامپیوترهای کلاسیک که در حال حاضر وجود دارند، ایجاد می‌کند. نور درهم پیچیده می‌تواند محاسبات پیچیده‌تری نسبت به یک کامپیوتر دیجیتال انجام دهد، و این کار را با استفاده از پرتوهای نور انجام دهد، به جای ذرات کوانتومی ظریفی که اگر بیش از حد گرم شوند، می‌توانند ناپدید شوند.

این کار به ما اجازه شبیه‌سازی یا حتی جایگزینی برخی از فرآیندهای کوانتومی در ابعاد بالا را می‌دهد که تصور می‌شد امکان انجام آن‌ها وجود ندارد. به عبارت دیگر، فقط زندگی ما را آسان‌تر کنید. «ما در حال انجام فرآیندهای شبه کوانتومی هستیم، اما با چیزهایی در جهان کلاسیک.»

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