کامپیوتر کوانتومی نوری قابل‌برنامه‌ریزی دیر اما پربار به بازار می‌آید!

منتشر‌شده در arstechnica به تاریخ ۸ مارس ۲۰۲۱
لینک منبع Programmable optical quantum computer arrives late, steals the show

این مسابقه در حال اجرا است و ما در آینده محاسبات کوانتومی برنده خواهیم بود. IBM، Google، و بقیه می‌توانند در کارت‌های محاسبات کوانتومی خود دست به دست هم دهند و دست به کار شوند.

بسیار خوب، این وضعیت هنوز کاملا مشخص و اثبات نشده است، اما مقاله اخیر یک کامپیوتر کوانتومی نوری مبتنی بر تراشه کاملا قابل‌برنامه‌ریزی را توصیف کرده است. این فکر تمام دکمه‌های مرا فشار می‌دهد، و تا وقتی که کسی مرا ریستارت نکند، از هیچ چیز دیگر صحبت نخواهم کرد.

هیچ شکی نیست که محاسبات کوانتومی در ۲۰ سال گذشته راه درازی را طی کرده است. دو دهه پیش، تکنولوژی کوانتوم نوری شبیه به راه رو به جلو بود. ذخیره اطلاعات در حالت‌های کوانتومی فتوتون (به عنوان کیوبیت نوری) آسان بود. دستکاری آن حالت‌ها با عناصر نوری استاندارد نیز آسان بود، و اندازه‌گیری نتیجه نسبتا ناچیز بود. محاسبات کوانتومی تنها یک کاربرد جدید از آزمایش‌ها کوانتومی موجود بود، و آن آزمایش‌ها، سهولت استفاده از سیستم‌ها را نشان داده و مزایای اولیه فن‌آوری‌های نوری را ارائه داده بودند.

اما یک کلید برای محاسبات کوانتومی (یا هر محاسبه دیگری، واقعا) توانایی تغییر حالت کیوبیت بسته به حالت کیوبیت دیگر است. معلوم شد که این امر در محاسبات کوانتومی نوری، شدنی اما پر‌زحمت است. به طور معمول، یک عملیات کیوبیت دوتایی (یا بیشتر) یک عملیات غیرخطی است، و فرآیندهای غیرخطی نوری بسیار ناکارآمد هستند. عملیات دو کیوبیت خطی ممکن است، اما آن‌ها احتمالاتی هستند، بنابراین باید محاسبات خود را چندین بار تکرار کنید تا مطمئن شوید که می‌دانید کدام جواب صحیح است.

ویژگی مهم دوم قابلیت برنامه‌ریزی است. ایجاد یک کامپیوتر جدید برای هر محاسباتی که می‌خواهید انجام دهید، مطلوب نیست. در اینجا، به نظر می‌رسید کامپیوترهای کوانتومی نوری واقعا در حال سقوط هستند. راه‌اندازی و اندازه‌گیری یک کامپیوتر کوانتومی نوری می‌تواند آسان باشد، یا می‌تواند قابل‌برنامه‌ریزی باشد-اما نه هر دو.

در عین حال، شرکت‌های خصوصی بر روی توانایی غلبه بر چالش‌های پیش روی ترابیت‌های ابررسانا و کیوبیت‌های یونی به‌دام‌افتاده، شرط می‌بندند. در حالت اول، مهندسان می‌توانند از تمام تجربیات خود از طرح صفحه مدار چاپی و مهندسی فرکانس رادیویی برای مقیاس‌بندی تعداد و کیفیت کیوبیت‌ها استفاده کنند. در مرحله دوم، مهندسان توانایی مقیاس‌گذاری تعداد کیوبیت‌ها را کنار گذاشتند، در حال حاضر می‌دانستند که کیوبیت‌ها کیفیت بالا و عمر طولانی دارند.

به نظر می‌رسید کامپیوترهای کوانتومی نوری محکوم به فنا هستند.

ممکن است به مطالعه مقاله تیم مایکروسافت Led مقاله محاسبات کوانتومی مورد بحث را تکذیب می‌کند. علاقمند باشید.

آینده بسیار روشن است

بنابراین، چه چیزی تغییر کرده است تا ناگهان کامپیوترهای کوانتومی نوری را زنده کند؟ در دهه گذشته شاهد تحولات زیادی بوده‌ایم. یکی از آن‌ها ظاهر آشکارسازهایی است که می‌توانند تعداد فوتون‌هایی که دریافت می‌کنند را حل کنند. تمام کارهای اصلی بر آشکارسازهای تک فوتونی متکی بودند، که می‌توانستند نور را تشخیص دهند / یا ندهند. بستگی به شما داشت که مطمئن شوید چیزی که شما تشخیص می‌دهید یک تک فوتون است نه یک جریان کلی از آن‌ها.

از آنجا که آشکارسازهای تک فوتونی نمی‌توانند بین فوتون‌های یک، دو، سه یا بیشتر تمایز قایل شوند، کامپیوترهای کوانتومی به حالت‌های تک فوتونی محدود شده‌اند. محاسبات پیچیده به تعداد زیادی فوتون‌های تکی نیاز دارد که همه آن‌ها نیاز به کنترل، تنظیم و خواندن دارند. با افزایش تعداد عملیات‌ها، شانس موفقیت به طور چشمگیری کاهش می‌یابد. بنابراین، همان محاسبات باید چندین بار اجرا شوند، قبل از این که شما بتوانید از جواب درست مطمئن شوید.

با استفاده از آشکارسازهای حل عددی فوتون، دانشمندان دیگر محدود به حالت‌های رمزگذاری شده در یک فوتون منفرد نیستند. اکنون آن‌ها می‌توانند از حالت‌هایی که از عدد فوتون استفاده می‌کنند، استفاده کنند. به عبارت دیگر، یک کیوبیت می‌تواند در حالت برهم نهی حاوی تعداد متفاوتی از فوتون‌های صفر، یک، دو و غیره تا حداکثر تعداد باشد. از این رو، کیوبیت‌های کمتری می‌توانند برای محاسبات مورد استفاده قرار گیرند.

دومین کلید توسعه، مدارهای نوری مجتمع بود. مدتی است که اپتیک مجتمع وجود دارد، اما آن‌ها دقیقا دقت و قابلیت اطمینان همتایان الکترونیکی خود را نداشته‌اند. این تغییر کرده است. همانطور که مهندسان تجربه بیشتری در کار با تکنیک‌های ساخت و با الزامات طراحی برای مدارهای نوری دارند، عملکرد خیلی بهتر شده است. در حال حاضر در صنعت مخابرات از فن‌آوری یکپارچه نوری با مقیاس و قابلیت اطمینان که دلالت بر آن دارد، استفاده می‌شود.

در نتیجه این پیشرفت‌ها، محققان به سادگی قادر به طراحی و سفارش تراشه نوری کوانتومی خود بودند، چیزی که کم‌تر از یک دهه پیش غیرقابل‌تصور بود. بنابراین، در یک معنا، این داستانی است که ۲۰ سال در ساخت تکنولوژی اساسی است.

مطالعه مقاله مسابقه برای حفظ اسرار از انقلاب محاسبات کوانتومی توصیه می‌شود.

کنار هم قرار دادن این معما

محققان، از یک شرکت نوبنیان به نام زانادوو و موسسه ملی استانداردها و فن‌آوری، این پیشرفت‌های فن‌آوری را کنار هم جمع کرده‌اند تا یک تراشه نوری یکپارچه تولید کنند که هشت کیوبیت تولید می‌کند. محاسبات با عبور دادن فوتون‌ها از یک مدار پیچیده ساخته‌شده از تداخل‌سنج Mach-Zhnder انجام می‌شود. در مدار، هر کیوبیت با خودش و برخی از کیوبیت‌های دیگر در هر تداخل‌سنج تداخل ایجاد می‌کند.

هنگامی که هر کیوبیت از یک تداخل‌سنج خارج می‌شود، جهت آن با وضعیت و محیط داخلی تداخل‌سنج مشخص می‌شود. جهت‌گیری آن مشخص می‌کند که کدام تداخل‌سنج به سمت بعدی حرکت می‌کند و در نهایت، کجا از دستگاه خارج می‌شود.

تنظیمات داخلی تداخل‌سنج دستگیره‌ای است که برنامه‌نویس برای کنترل محاسبات از آن استفاده می‌کند. در عمل، دستگیره(knob) فقط دمای بخش‌های موج‌بری را تغییر می‌دهد. اما برنامه‌نویس نباید نگران این جزئیات باشد. در عوض، آن‌ها یک رابط برنامه‌نویسی کاربردی دارند (کتابخانه پایتون فیلدز استراوبری) که کد پایتون بسیار معمولی را می‌گیرد. سپس این کد توسط یک سیستم کنترلی که اختلاف دمای صحیح روی تراشه را حفظ می‌کند، ترجمه می‌شود.

برای نشان دادن اینکه چیپ آن‌ها انعطاف‌پذیر است، محققان یک سری محاسبات مختلف انجام دادند. اولین محاسبه اساسا اجازه می‌دهد که کامپیوتر خودش را شبیه‌سازی کند - در یک زمان مشخص چند حالت مختلف می‌توانیم تولید کنیم. (این نوعی محاسبه است که باعث می‌شود دندان‌هایم را به هم بسایم چون هر دستگاه کوانتومی می‌تواند خودش را به طور موثر محاسبه کند.) با این حال، پس از آن، محققان وارد کسب‌وکار شدند. آن‌ها حالت‌های ارتعاشی اتیلن -دو اتم کربن و دو اتم هیدروژن- و فنیل وینیل استیلن پیچیده‌تر - را با موفقیت محاسبه کردند. این مثال‌های به دقت انتخاب‌شده به خوبی در فضای هشت کیوبیت کامپیوتر کوانتومی جا می‌گیرند.

سومین محاسبه شامل شباهت گراف محاسباتی بود. باید اعتراف کنم که تشابه گراف را درک نمی‌کنم، اما فکر می‌کنم این یک تمرین تطبیق الگو است، مانند تشخیص چهره. البته این نمودارها بسیار ساده بودند، اما باز هم دستگاه به خوبی کار می‌کرد. بنا به گفته نویسندگان، این اولین نمایش شباهت گراف بر روی یک کامپیوتر کوانتومی بود.

شاید مطالعه مقاله آیا محاسبات کوانتومی ارزش سرمایه‌گذاری جدید را دارد؟ برای شما جذاب باشد.

آیا واقعا این کار انجام شد؟

بسیار خوب، همانطور که به شما هشدار دادم، در معرفی من مبالغه شده بود. با این حال، این یک گام بزرگ است. هیچ مانع بزرگی برای مقیاس‌گذاری این کامپیوتر به تعداد بیشتری از کیوبیت‌ها وجود ندارد. محققان باید تلفات فوتون در موج‌برهای خود را کاهش دهند، و آن‌ها باید میزان نشت از لیزر را کاهش دهند که همه چیز را هدایت می‌کند (در حال حاضر مقداری نور به مدار محاسبات نشت می‌کند، که بسیار نامطلوب است). مدیریت حرارتی نیز باید مقیاس‌بندی شود. اما بر خلاف نمونه‌های قبلی از کامپیوترهای کوانتومی نوری، هیچ یک از اینها یک مانع «ظهور این فن‌آوری جدید» نیستند.

علاوه بر این، مقیاس‌گذاری مقادیر زیادی از افزایش پیچیدگی را نشان نمی‌دهد. در کوبیت‌های ابررسانا، هر کیوبیت یک حلقه جریان در میدان مغناطیسی است. هر کیوبیت زمینه‌ای را تولید می‌کند که همیشه با کیوبیت‌های دیگر صحبت می‌کند. مهندسان باید در لحظه مناسب مشکلات زیادی برای جدا کردن و جفت کردن چند بیت از یکدیگر داشته باشند. هرچه سیستم بزرگ‌تر باشد، این وظیفه سخت‌تر می‌شود. کامپیوترهای آیون کیوبیت با یک مشکل مشابه در حالت‌ای تله خود مواجه هستند. واقعا یک مشکل مشابه در سیستم‌های نوری وجود ندارد، و این مزیت کلیدی آن‌ها است.

این متن با استفاده از ربات مترجم مقاله 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.