یک قدم نزدیک‌تر به کامپیوترهای کوانتومی نوری با تراشه فوتونی

منتشر‌شده در: مجله nature به تاریخ ۳ مارس ۲۰۲۱
لینک منبع: Photonic chip brings optical quantum computers a step closer

کامپیوترهای کوانتومی قول می‌دهند که توان محاسباتی عظیمی را ارائه دهند و مشکلاتی را حل کنند که نمی‌توانند توسط ماشین‌های معمولی (کلاسیک) حل شوند. بسیاری از پلتفرم‌های سخت‌افزاری وجود دارند که در آن‌ها محاسبات کوانتومی را می‌توان توسعه داد، و هنوز مشخص نیست که کدام تکنولوژی، یا ترکیبی از فن‌آوری‌ها، موفق‌تر خواهند بود. امروزه، طرح‌های اصلی مبتنی بر مدارهای الکتریکی ابررسانا یا تکنولوژی‌های یون به‌دام‌افتاده هستند. روش دیگر، بر اساس فوتونیک، اغلب به دلیل مشکلات در ایجاد حالت‌های کوانتومی مورد نیاز، یا تبدیل چنین حالت‌هایی، به محض تقاضا، غیر‌عملی در نظر گرفته می‌شود. با این حال، این روش می‌تواند رقیب جدید محاسبات کوانتومی باشد. بر اساس آنچه در مجله طبیعت نوشته شده، ارزولا و همکارانش، توسعه یک مدار فوتونیکی قابل‌برنامه‌ریزی و مقیاس‌پذیر را گزارش کرده و سه نوع الگوریتم کوانتومی را بر روی این پلتفرم نشان داده‌اند.

با توجه به نظریه کوانتومی، یک عدم قطعیت اجتناب‌ناپذیر مرتبط با دامنه و فاز هر حالت نور وجود دارد (فازی که در آن مرحله از یک چرخه نوسان، موج نور است). اگر این عدم قطعیت کوانتومی به طور نامساوی بین دامنه و فاز توزیع شود، گفته می‌شود که حالت فشرده می‌شود؛ و هر چه حالت فشرده شود، فوتون‌های بیشتری را شامل می‌شود. نور فشرده چندفوتونی در بسیاری از آزمایش‌ها نورشناسی کوانتومی یافت می‌شود و مدل‌های محاسبات کوانتومی بر اساس این حالت‌ها برای بیش از دو دهه وجود داشته‌اند. با این حال، به دلیل عدم قطعیت کوانتومی، این که آیا کامپیوترهای مبتنی بر چنین مدل‌هایی عملی خواهند بود یا خیر، به طور موجه زیر سوال رفته ‌است.

این بدبینی در چند سال گذشته از بین رفته‌ است. مشخص شد که یک مدار نوری نسبتا ساده، تنها بر اساس نور فشرده، دستگاه‌های تقسیم کننده پرتو (که پرتوهای نور را به دو قسمت تقسیم می‌کنند) و شمارنده‌های فوتون، می‌تواند یک الگوریتم نمونه‌برداری (روشی که یک نمونه تصادفی از داده‌ها را می‌گیرد) را با سرعتی فراتر از دسترسی به کامپیوترهای کلاسیک انجام دهد. همچنین کشف شد که چنین الگوریتمی کاربردهای عملی زیادی دارد. برای مثال، در شبیه‌سازی گذاره‌ای بین حالت‌های مولکول و یافتن پیکربندی‌های انطباق دو مولکول مفید است - فرآیندی که به عنوان داکینگ مولکولی شناخته می‌شود.

شاید مطالعه مقاله نقش محاسبات کوانتومی در زمینه خدمت‌رسانی به بشریت برای شما جالب باشد.

در معماری محاسباتی مورد استفاده برای اجرای این الگوریتم نمونه‌برداری کوانتومی، حالت‌های فشرده نور تولید شده و در یک شبکه نوری متشکل از چندین مسیر نوری و پراکندگی پرتو راه‌اندازی می‌شوند (شکل ۱). حالت‌های فشرده زمانی با هم ترکیب می‌شوند که در قطرات پرتو به دلیل یک اثر کوانتومی به نام تداخل ملاقات می‌کنند. در نتیجه، همه ایالت‌ها کاملا به هم ریخته می‌شوند، به گونه‌ای که به طول نسبی مسیرهای نوری، شناخته‌شده به عنوان فازهای نسبی آن‌ها بستگی دارد. برنامه‌ریزی مجدد این فازها نوع تقابل را تغییر می‌دهد. پس از تقابل، تعداد فوتون‌ها در هر خروجی این مدار کوانتومی با استفاده از آشکارسازهای بسیار حساس شمارش می‌شود.

حالات فشرده‌شده هنگامی که در جداکننده‌های پرتو قرار گرفتند با یکدیگر مخلوط شدند و هنگام خروج از شبکه، تمام حالت‌ها کاملاً درهم آمیخته شدند. در نهایت، آشکارسازهای بسیار حساس تعداد فوتون‌ها را در هر حالت به‌هم‌ریخته شمردند. نویسندگان از تراشه خود برای اجرای الگوریتم‌های کوانتومی استفاده کردند که در آن حالت‌های ورودی فشرده نشان‌دهنده متغیرهای ورودی و تعداد فوتون‌ها در هر حالت به‌هم‌ریخته نشان‌دهنده خروجی به‌دست‌آمده در زمان پردازش الگوریتم این متغیرها بود. تراشه را می‌توان مجددا برنامه‌ریزی کرد تا الگوریتم‌های مختلف را با استفاده از یک کنترلر برای تنظیم تقسیم کننده پرتو و برای دستکاری دستگاه‌های تغییر دهنده فاز اجرا کند. کنترلر را می‌توان توسط یک کاربر از راه دور از طریق ابر در دسترس قرار داد.

نتیجه اندازه‌گیری یک نمونه خاص از داده‌ها را از آزمایش کوانتومی فراهم می‌کند. برای یک کامپیوتر کلاسیک، زمان مورد نیاز برای گرفتن چنین نمونه‌هایی به صورت نمایی با تعداد حالت‌های فشرده ورودی (بالغ بر میلیاردها سال زمانی که این تعداد بالا است) اندازه‌گیری می‌شود. در مقابل، مدار کوانتومی می‌تواند نمونه‌ای را در کسری از ثانیه تولید کند که آنچه را که مزیت کوانتومی نامیده می‌شود را نشان می‌دهد.

ارزولا و همکارانش مدار فوتونیکی خود را بر روی تراشه نیترید سیلیکون اجرا نموده‌اند که با فرایندهای ساخت مورد استفاده در صنعت نیمه‌رسانا سازگار می‌باشد. نویسندگان یک حالت فشرده در هر چهار دستگاه با اندازه میکرو‌متر که به عنوان تشدیدکننده‌های حلقه نوری بر روی تراشه با استفاده از اثری به نام ترکیب چهار موج شناخته می‌شود، ایجاد کرده‌اند. آن‌ها با حک دقیق ساختارهای ریز معروف به موج‌برهای نوری روی تراشه، به انتشار و تداخل نور دست یافتند. شبکه پراکنده‌ساز پرتو کاملا قابل‌کنترل بود و به طور کامل برای یک کاربر از راه دور از طریق ابر قابل‌برنامه‌ریزی مجدد شد. خروجی شبکه سپس به چهار آشکارساز شمارش فوتون هدایت شد، و این آشکارسازها نمونه‌هایی را تولید کردند که به کاربر دوردست فرستاده شدند.

نویسندگان انواع مختلفی از اندازه‌گیری را برای توصیف کیفیت منابع نور فشرده و عملکرد کلی تراشه اجرا کردند. اول، آن‌ها کاهش عدم قطعیت حالات تحت فشار نسبت به حالت عادی را در حدود ۸۴٪ اندازه‌گیری کردند. دوم، آن‌ها خلوص زمانی حالت‌ها (ویژگی حیاتی برای تداخل موفق در شبکه) را تا ۸۵٪ اندازه‌گیری کردند. سوم، آن‌ها به دقت کیفیت تداخل را بررسی کردند. و در نهایت، آن‌ها تایید کردند که نمونه‌های تولید شده دارای ماهیت کوانتومی واقعی با تست کردن آن‌ها در برابر معیاری برای غیر‌کلاسیک بودن هستند - یک شرط ضروری اگر دستگاه، در هنگام افزایش مقیاس، نمونه‌هایی تولید کند که شبیه‌سازی آن‌ها با استفاده از یک کامپیوتر کلاسیک غیرممکن است.

علاوه بر الگوریتم نمونه‌گیری مورد استفاده برای نشان دادن یک مزیت کوانتومی، ارزولا و همکارانش دو الگوریتم ارتباط عملی بزرگ‌تر را اجرا کردند: یکی که طیف انرژی برای گذارهای بین حالت‌های مولکولی را تعیین می‌کند و دیگری که شباهت بین گراف‌های ریاضی که مولکول‌های مختلف را نشان می‌دهند را پیدا می‌کند. نویسندگان این شاهکار را با رمزگذاری مساله خاص در حالت‌های فشرده و شبکه شکاف‌دهنده پرتو و سپس با استفاده از نمونه‌های تولید شده برای تخمین طیف مولکولی یا طبقه‌بندی نمودارها به دست آوردند.

ممکن است به مطالعه مقاله کامپیوتر کوانتومی، مزیتی برای نظرسنجی‌های انتخاباتی؟ علاقمند باشید.

نمونه‌گیری کوانتوم بر اساس حالت‌های فشرده توسط دیگر گروه‌های تحقیقاتی نشان داده شده است. به طور خاص، یک گروه در سال گذشته الگوریتم نمونه‌برداری را بر روی ۵۰ حالت فشرده در ۱۰۰ مسیر نوری اجرا کرد و یک مزیت کوانتومی را گزارش داد. محققان تخمین زدند که ۶۰۰میلیون سال طول می‌کشد تا چنین آزمایشی بر روی یک سوپرکامپیوتر شبیه‌سازی شود. با این حال، این تظاهرات به دلیل توده شدن مجموعه یا به دلیل تلفات فوتون مقیاس‌پذیر نبودند. علاوه بر این، مدار این آزمایش‌ها قبلی قابل پیکربندی مجدد نبود و بنابراین تنها یک الگوریتم تصادفی واحد می‌تواند اجرا شود. در مقابل، مدار ارزولا و همکارانش قابل‌برنامه‌ریزی و به طور بالقوه بسیار مقیاس‌پذیر است.

با این وجود، هنوز موانعی وجود دارند که باید قبل از اینکه الگوریتم نمونه‌برداری کوانتومی بتواند به پتانسیل کامل خود برسد و برای کاربردهای دنیای واقعی مفید باشد، بر آن‌ها غلبه شود. برای مثال، کیفیت حالت‌های تحت فشار باید به طور قابل‌توجهی بهبود یابد، و برای برخی کاربردها، درجه فشرده‌سازی و مقدار توان نوری در هر حالت تحت فشار باید به طور جداگانه کنترل شود. علاوه بر این، برای افزایش مقیاس سیستم، تلفات فوتون باید کاهش یابد؛ در غیر این صورت، فوتون‌ها در سفر خود از طریق مدار باقی نخواهند ماند.

بدون شک، نمایش نویسندگان از نمونه‌برداری کوانتومی بر روی تراشه فوتونی قابل‌برنامه‌ریزی با استفاده از حالت‌های بسیار فشرده قابل‌توجه بوده و نشان‌دهنده نقطه عطفی در این زمینه می‌باشد. با این حال، تعداد کاربردهای تجاری که می‌توانند با استفاده از معماری فعلی پیاده‌سازی شوند، محدود است. پلتفرم‌های کاملا متفاوتی برای اجرای الگوریتم‌های سنگین‌تر مانند الگوریتم شور (Shor) برای فاکتورگیری اعداد بزرگ در اعداد اول، به شیوه‌ای بدون خطا مورد نیاز است. خوشبختانه، چنین پلتفرم‌هایی (همچنین براساس حالت‌های فشرده) پیشنهاد شده‌اند و پیاده‌سازی آن‌ها گام بعدی به سمت ساخت یک کامپیوتر کوانتومی نوری کامل را تشکیل می‌دهد.

این متن با استفاده از ربات مترجم مقاله کوانتومی 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.